Điện cực màng là thành phần cốt lõi của pin nhiên liệu, tích hợp vận chuyển và phản ứng điện hóa của vật liệu không đồng nhất, trực tiếp xác định hiệu suất, tuổi thọ,và chi phí pin nhiên liệu tế bào trao đổi protonĐiện cực màng và các tấm hai cực ở cả hai bên cùng nhau tạo thành một pin nhiên liệu duy nhất,và sự kết hợp của nhiều tế bào đơn có thể tạo thành một chồng pin nhiên liệu để đáp ứng các yêu cầu công suất đầu ra khác nhauThiết kế và tối ưu hóa cấu trúc MEA, lựa chọn vật liệu và tối ưu hóa quy trình sản xuất luôn là trọng tâm của nghiên cứu PEMFC.công nghệ điện cực màng đã trải qua một số thế hệ đổi mới, chủ yếu được chia thành ba loại: phương pháp ép nóng GDE, CCM ba trong một điện cực màng và điện cực màng được đặt hàng.
1. GDE Điện cực phim ép nóng
Công nghệ chuẩn bị MEA thế hệ đầu tiên sử dụng phương pháp ép nóng để nén các GDL cathode và anode được phủ CL ở cả hai bên của PEM để có được MEA, được gọi là cấu trúc "GDE".
Quá trình chuẩn bị loại GDE MEA thực sự tương đối đơn giản, nhờ chất xúc tác được phủ đồng đều trên GDL.nhưng cũng thông minh bảo vệ PEM từ biến dạngTuy nhiên, quá trình này không hoàn hảo. Nếu số lượng chất xúc tác được phủ trên GDL không thể được kiểm soát chính xác, bùn xúc tác có thể xâm nhập vào GDL,dẫn đến một số chất xúc tác không thực hiện đầy đủ hiệu quả của họ, và tỷ lệ sử dụng thậm chí có thể thấp đến 20%, làm tăng đáng kể chi phí sản xuất của MEA.
Do sự không nhất quán giữa lớp phủ chất xúc tác trên GDL và hệ thống mở rộng của PEM, giao diện giữa hai loại có xu hướng bị tách lớp trong quá trình hoạt động lâu dài.Điều này không chỉ dẫn đến sự gia tăng kháng tiếp xúc bên trong của pin nhiên liệu, nhưng cũng làm giảm đáng kể hiệu suất tổng thể của MEA, không đạt đến mức lý tưởng.và rất ít người chú ý đến nó..
2. CCM 3 trong một điện cực màng
Bằng cách sử dụng các phương pháp như lớp phủ trực tiếp từ cuộn đến cuộn, in màn hình và lớp phủ phun, một chất xả bao gồm chất xúc tác, Nafion,và chất phân tán thích hợp được phủ trực tiếp ở cả hai bên của màng trao đổi proton để có được MEA.
So với phương pháp chuẩn bị MEA loại GDE, loại CCM có hiệu suất tốt hơn, không dễ lột và làm giảm kháng cự chuyển tiếp giữa lớp xúc tác và PEM,có lợi cho việc cải thiện sự phân tán và chuyển động của proton trong proton. lớp xúc tác, do đó thúc đẩy lớp xúc tác và PEM.do đó cải thiện đáng kể hiệu suất của MEANghiên cứu về MEA đã chuyển từ loại GDE sang loại CCM. Ngoài ra, do tải Pt tương đối thấp của loại CCM MEA,chi phí tổng thể của MEA được giảm và tỷ lệ sử dụng được cải thiện đáng kểNhược điểm của CCM loại MEA là nó dễ bị ngập nước trong quá trình hoạt động của pin nhiên liệu. Lý do chính là không có chất chống nước trong lớp xúc tác MEA,có ít kênh khí hơnVì vậy, để giảm sức đề kháng truyền của khí và nước,Độ dày của lớp chất xúc tác thường không quá 10 μm.
Do hiệu suất toàn diện tuyệt vời của nó, CCM loại MEA đã được thương mại hóa trong lĩnh vực pin nhiên liệu ô tô. Ví dụ, Toyota Mirai, Honda Clarity, v.v.CCM loại MEA được phát triển bởi Đại học Công nghệ Vũ Hán ở Trung Quốc đã được xuất khẩu sang Plug Power ở Hoa Kỳ để sử dụng trong xe nâng pin nhiên liệu. CCM loại MEA được phát triển bởi Dalian Xinyuan Power đã được áp dụng cho xe tải, với dung lượng tải kim loại quý dựa trên bạch kim thấp đến 0,4mgPt / cm2. mật độ điện đạt 0,96W / cm2.Đồng thời, các công ty và các trường đại học như Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Đại học Jiao Tong Thượng Hải,và Viện Vật lý Hóa học Dalian cũng đang phát triển các loại MEA hiệu suất cao CCMCác công ty nước ngoài như Komu, Gore
3Đặt hàng điện cực màng
Lớp xúc tác của loại GDE MEA và loại CCM MEA được trộn với chất xúc tác và dung dịch chất điện giải để tạo thành chất xả chất xúc tác, sau đó được phủ.Hiệu quả rất thấp và có một hiện tượng phân cực đáng kểNgoài ra, tải platin trong MEA tương đối cao. Sự phát triển của hiệu suất cao, tuổi thọ dài,và MEA chi phí thấp đã trở thành trọng tâm của sự chú ýTỷ lệ sử dụng Pt của MEA được đặt hàng rất cao, giảm hiệu quả chi phí của MEA, đồng thời đạt được vận chuyển hiệu quả các proton, electron, khí, nước và các chất khác,do đó cải thiện hiệu suất toàn diện của PEMFC.
Điện cực màng theo thứ tự bao gồm điện cực màng theo thứ tự dựa trên ống nano cacbon, điện cực màng theo thứ tự dựa trên màng mỏng xúc tác,và điện cực màng theo trật tự dựa trên dây dẫn proton.
Điện cực màng theo thứ tự dựa trên ống nano cacbon
Các đặc điểm lưới graphit của ống nano cacbon có khả năng chống lại tiềm năng cao, và sự tương tác và độ đàn hồi của chúng với các hạt Pt tăng cường hoạt động xúc tác của các hạt Pt.Trong thập kỷ qua., các bộ phim mỏng dựa trên các ống nano cacbon thẳng đứng (VACNTs) đã được phát triển.và hiệu quả sử dụng Pt.
VACNT có thể được chia thành hai loại: một là VACNT bao gồm các ống nano carbon cong và thưa thớt; loại khác là các ống nano carbon rỗng bao gồm các ống nano carbon thẳng và dày đặc.
Điện cực màng được đặt hàng dựa trên màng mỏng xúc tác
Việc sắp xếp các tấm mỏng xúc tác chủ yếu đề cập đến các cấu trúc Pt nano sắp xếp, chẳng hạn như ống nano Pt, dây nano Pt, v.v. Trong số đó, đại diện của điện cực màng xúc tác là NSTF,một sản phẩm thương mại của Công ty 3M. So với các chất xúc tác Pt / C truyền thống, NSTF có bốn đặc điểm chính: chất chứa chất xúc tác là một râu hữu cơ có trật tự;Các chất xúc tác hình thành các loại hợp kim mỏng dựa trên Pt trên sinh vật giống như râu; Không có chất chứa carbon trong lớp xúc tác; Độ dày của lớp xúc tác NSTF dưới 1um.
Điện cực màng được đặt hàng dựa trên chất dẫn proton
Chức năng chính của điện cực màng được sắp xếp bằng dây dẫn proton là giới thiệu vật liệu polymer nanowire để thúc đẩy vận chuyển proton hiệu quả trong lớp xúc tác.Các cấu trúc TiO2/Ti của các mảng nanotube TiO2 (TNTs) đã được chuẩn bị trên tấm titanCác hạt Pt Pd được chuẩn bị trên bề mặt của H-TNT bằng cách sử dụng các phương pháp nhạy cảm và dịch chuyển SnCl2,dẫn đến pin nhiên liệu mật độ công suất cao.
The Institute of Nuclear Science and the Department of Automotive Engineering at Tsinghua University have synthesized a novel ordered catalyst layer for the first time based on the fast proton conduction function of Nafion nanowiresNó có các đặc điểm sau: Nafion nanorods được phát triển in situ trên màng trao đổi proton, và kháng tiếp xúc giao diện được giảm xuống còn không;Sự lắng đọng của lớp xúc tác hạt Pt trên nanorods Nafion, với cả chức năng xúc tác và dẫn điện tử; Nanorods Nafion có độ dẫn proton nhanh.
Điện cực màng đặt hàng là không nghi ngờ hướng chính của công nghệ chuẩn bị điện cực màng thế hệ tiếp theo.5 khía cạnh cần được xem xét thêm: điện cực màng được sắp xếp rất nhạy cảm với tạp chất; mở rộng phạm vi hoạt động của điện cực màng thông qua tối ưu hóa vật liệu, đặc trưng và mô hình hóa;Giới thiệu các cấu trúc nano dẫn proton nhanh vào lớp xúc tácPhát triển quy trình sản xuất hàng loạt chi phí thấp; Nghiên cứu chuyên sâu về các tương tác và hiệu ứng hợp tác giữa membrane electrode proton exchange membrane, electrocatalyst,và lớp khuếch tán khí.
Ưu điểm của công nghệ chuẩn bị điện cực màng và phương pháp phun siêu âm:
(1) Bằng cách tối ưu hóa các thông số như sức mạnh vòi siêu âm và tần số, bùn xúc tác atomized có thể có sự phục hồi nhỏ và ít dễ bị phun quá mức,do đó cải thiện tỷ lệ sử dụng chất xúc tác;
(2) Dây rung siêu âm phân tán các hạt xúc tác cao, và đầu tiêm phân tán siêu âm có tác dụng khuấy động thứ cấp trên bùn xúc tác,Giảm đáng kể khả năng ô nhiễm hóa học bằng bạch kim và giảm khu vực hoạt động phản ứng;
(3) Dễ dàng vận hành, tự động cao, phù hợp với sản xuất hàng loạt các điện cực màng.
Điện cực màng là thành phần cốt lõi của pin nhiên liệu, tích hợp vận chuyển và phản ứng điện hóa của vật liệu không đồng nhất, trực tiếp xác định hiệu suất, tuổi thọ,và chi phí pin nhiên liệu tế bào trao đổi protonĐiện cực màng và các tấm hai cực ở cả hai bên cùng nhau tạo thành một pin nhiên liệu duy nhất,và sự kết hợp của nhiều tế bào đơn có thể tạo thành một chồng pin nhiên liệu để đáp ứng các yêu cầu công suất đầu ra khác nhauThiết kế và tối ưu hóa cấu trúc MEA, lựa chọn vật liệu và tối ưu hóa quy trình sản xuất luôn là trọng tâm của nghiên cứu PEMFC.công nghệ điện cực màng đã trải qua một số thế hệ đổi mới, chủ yếu được chia thành ba loại: phương pháp ép nóng GDE, CCM ba trong một điện cực màng và điện cực màng được đặt hàng.
1. GDE Điện cực phim ép nóng
Công nghệ chuẩn bị MEA thế hệ đầu tiên sử dụng phương pháp ép nóng để nén các GDL cathode và anode được phủ CL ở cả hai bên của PEM để có được MEA, được gọi là cấu trúc "GDE".
Quá trình chuẩn bị loại GDE MEA thực sự tương đối đơn giản, nhờ chất xúc tác được phủ đồng đều trên GDL.nhưng cũng thông minh bảo vệ PEM từ biến dạngTuy nhiên, quá trình này không hoàn hảo. Nếu số lượng chất xúc tác được phủ trên GDL không thể được kiểm soát chính xác, bùn xúc tác có thể xâm nhập vào GDL,dẫn đến một số chất xúc tác không thực hiện đầy đủ hiệu quả của họ, và tỷ lệ sử dụng thậm chí có thể thấp đến 20%, làm tăng đáng kể chi phí sản xuất của MEA.
Do sự không nhất quán giữa lớp phủ chất xúc tác trên GDL và hệ thống mở rộng của PEM, giao diện giữa hai loại có xu hướng bị tách lớp trong quá trình hoạt động lâu dài.Điều này không chỉ dẫn đến sự gia tăng kháng tiếp xúc bên trong của pin nhiên liệu, nhưng cũng làm giảm đáng kể hiệu suất tổng thể của MEA, không đạt đến mức lý tưởng.và rất ít người chú ý đến nó..
2. CCM 3 trong một điện cực màng
Bằng cách sử dụng các phương pháp như lớp phủ trực tiếp từ cuộn đến cuộn, in màn hình và lớp phủ phun, một chất xả bao gồm chất xúc tác, Nafion,và chất phân tán thích hợp được phủ trực tiếp ở cả hai bên của màng trao đổi proton để có được MEA.
So với phương pháp chuẩn bị MEA loại GDE, loại CCM có hiệu suất tốt hơn, không dễ lột và làm giảm kháng cự chuyển tiếp giữa lớp xúc tác và PEM,có lợi cho việc cải thiện sự phân tán và chuyển động của proton trong proton. lớp xúc tác, do đó thúc đẩy lớp xúc tác và PEM.do đó cải thiện đáng kể hiệu suất của MEANghiên cứu về MEA đã chuyển từ loại GDE sang loại CCM. Ngoài ra, do tải Pt tương đối thấp của loại CCM MEA,chi phí tổng thể của MEA được giảm và tỷ lệ sử dụng được cải thiện đáng kểNhược điểm của CCM loại MEA là nó dễ bị ngập nước trong quá trình hoạt động của pin nhiên liệu. Lý do chính là không có chất chống nước trong lớp xúc tác MEA,có ít kênh khí hơnVì vậy, để giảm sức đề kháng truyền của khí và nước,Độ dày của lớp chất xúc tác thường không quá 10 μm.
Do hiệu suất toàn diện tuyệt vời của nó, CCM loại MEA đã được thương mại hóa trong lĩnh vực pin nhiên liệu ô tô. Ví dụ, Toyota Mirai, Honda Clarity, v.v.CCM loại MEA được phát triển bởi Đại học Công nghệ Vũ Hán ở Trung Quốc đã được xuất khẩu sang Plug Power ở Hoa Kỳ để sử dụng trong xe nâng pin nhiên liệu. CCM loại MEA được phát triển bởi Dalian Xinyuan Power đã được áp dụng cho xe tải, với dung lượng tải kim loại quý dựa trên bạch kim thấp đến 0,4mgPt / cm2. mật độ điện đạt 0,96W / cm2.Đồng thời, các công ty và các trường đại học như Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Đại học Jiao Tong Thượng Hải,và Viện Vật lý Hóa học Dalian cũng đang phát triển các loại MEA hiệu suất cao CCMCác công ty nước ngoài như Komu, Gore
3Đặt hàng điện cực màng
Lớp xúc tác của loại GDE MEA và loại CCM MEA được trộn với chất xúc tác và dung dịch chất điện giải để tạo thành chất xả chất xúc tác, sau đó được phủ.Hiệu quả rất thấp và có một hiện tượng phân cực đáng kểNgoài ra, tải platin trong MEA tương đối cao. Sự phát triển của hiệu suất cao, tuổi thọ dài,và MEA chi phí thấp đã trở thành trọng tâm của sự chú ýTỷ lệ sử dụng Pt của MEA được đặt hàng rất cao, giảm hiệu quả chi phí của MEA, đồng thời đạt được vận chuyển hiệu quả các proton, electron, khí, nước và các chất khác,do đó cải thiện hiệu suất toàn diện của PEMFC.
Điện cực màng theo thứ tự bao gồm điện cực màng theo thứ tự dựa trên ống nano cacbon, điện cực màng theo thứ tự dựa trên màng mỏng xúc tác,và điện cực màng theo trật tự dựa trên dây dẫn proton.
Điện cực màng theo thứ tự dựa trên ống nano cacbon
Các đặc điểm lưới graphit của ống nano cacbon có khả năng chống lại tiềm năng cao, và sự tương tác và độ đàn hồi của chúng với các hạt Pt tăng cường hoạt động xúc tác của các hạt Pt.Trong thập kỷ qua., các bộ phim mỏng dựa trên các ống nano cacbon thẳng đứng (VACNTs) đã được phát triển.và hiệu quả sử dụng Pt.
VACNT có thể được chia thành hai loại: một là VACNT bao gồm các ống nano carbon cong và thưa thớt; loại khác là các ống nano carbon rỗng bao gồm các ống nano carbon thẳng và dày đặc.
Điện cực màng được đặt hàng dựa trên màng mỏng xúc tác
Việc sắp xếp các tấm mỏng xúc tác chủ yếu đề cập đến các cấu trúc Pt nano sắp xếp, chẳng hạn như ống nano Pt, dây nano Pt, v.v. Trong số đó, đại diện của điện cực màng xúc tác là NSTF,một sản phẩm thương mại của Công ty 3M. So với các chất xúc tác Pt / C truyền thống, NSTF có bốn đặc điểm chính: chất chứa chất xúc tác là một râu hữu cơ có trật tự;Các chất xúc tác hình thành các loại hợp kim mỏng dựa trên Pt trên sinh vật giống như râu; Không có chất chứa carbon trong lớp xúc tác; Độ dày của lớp xúc tác NSTF dưới 1um.
Điện cực màng được đặt hàng dựa trên chất dẫn proton
Chức năng chính của điện cực màng được sắp xếp bằng dây dẫn proton là giới thiệu vật liệu polymer nanowire để thúc đẩy vận chuyển proton hiệu quả trong lớp xúc tác.Các cấu trúc TiO2/Ti của các mảng nanotube TiO2 (TNTs) đã được chuẩn bị trên tấm titanCác hạt Pt Pd được chuẩn bị trên bề mặt của H-TNT bằng cách sử dụng các phương pháp nhạy cảm và dịch chuyển SnCl2,dẫn đến pin nhiên liệu mật độ công suất cao.
The Institute of Nuclear Science and the Department of Automotive Engineering at Tsinghua University have synthesized a novel ordered catalyst layer for the first time based on the fast proton conduction function of Nafion nanowiresNó có các đặc điểm sau: Nafion nanorods được phát triển in situ trên màng trao đổi proton, và kháng tiếp xúc giao diện được giảm xuống còn không;Sự lắng đọng của lớp xúc tác hạt Pt trên nanorods Nafion, với cả chức năng xúc tác và dẫn điện tử; Nanorods Nafion có độ dẫn proton nhanh.
Điện cực màng đặt hàng là không nghi ngờ hướng chính của công nghệ chuẩn bị điện cực màng thế hệ tiếp theo.5 khía cạnh cần được xem xét thêm: điện cực màng được sắp xếp rất nhạy cảm với tạp chất; mở rộng phạm vi hoạt động của điện cực màng thông qua tối ưu hóa vật liệu, đặc trưng và mô hình hóa;Giới thiệu các cấu trúc nano dẫn proton nhanh vào lớp xúc tácPhát triển quy trình sản xuất hàng loạt chi phí thấp; Nghiên cứu chuyên sâu về các tương tác và hiệu ứng hợp tác giữa membrane electrode proton exchange membrane, electrocatalyst,và lớp khuếch tán khí.
Ưu điểm của công nghệ chuẩn bị điện cực màng và phương pháp phun siêu âm:
(1) Bằng cách tối ưu hóa các thông số như sức mạnh vòi siêu âm và tần số, bùn xúc tác atomized có thể có sự phục hồi nhỏ và ít dễ bị phun quá mức,do đó cải thiện tỷ lệ sử dụng chất xúc tác;
(2) Dây rung siêu âm phân tán các hạt xúc tác cao, và đầu tiêm phân tán siêu âm có tác dụng khuấy động thứ cấp trên bùn xúc tác,Giảm đáng kể khả năng ô nhiễm hóa học bằng bạch kim và giảm khu vực hoạt động phản ứng;
(3) Dễ dàng vận hành, tự động cao, phù hợp với sản xuất hàng loạt các điện cực màng.
