U osnovi, gorivna ćelija je uređaj koji direktno pretvara hemijsku energiju u električnu. Ne zahtijeva dodatno punjenje. Sve dok se gorivo i oksidans kontinuirano dopunjuju, može nastaviti raditi i proizvoditi električnu energiju. Dodatno gorivo i oksidans ne prolaze kroz reakciju sagorevanja, već elektrohemijsku reakciju između goriva i oksidansa za stvaranje električne struje.
Stoga je takva elektrohemijska reakcija praćena prijenosom naboja uslijed kemijskih reakcija. Elektroni i ioni dovršavaju prijenos naboja kroz različite reakcione puteve. Tokom procesa reakcije gorivne ćelije, gorivo i oksidans se ne mogu mešati, već ulaze u gorivu ćeliju odvojeno i reaguju pojedinačno na anodi i katodi baterije.
Gorivo stvara elektrone nakon elektrohemijske reakcije. Elektroni teku do druge elektrode kroz elektrodu i vanjski krug kako bi reagirali s oksidansom. Nakon što oksidans prihvati elektrone, on reagira i provodi ione kroz elektrolit u bateriji, formirajući krug za rad elektrona.
Jezgra opće gorivne ćelije sastoji se od tri osnovne komponente: anode, katode i elektrolita između dvije elektrode. Obično se vodik koristi kao gorivo, a kisik se koristi kao oksidans. Gorivo se oksidira na anodi, a kisik se reducira na katodi. Gorivne ćelije se sastoje od takvih jezgri povezanih u seriju kako bi formirali veći energetski paket baterija, ili se nazivaju snop baterija.
Općenito, oksidans može biti kisik u zraku, a vodikovi ioni i elektroni koji se koriste kao gorivo dolaze iz anode, a elektrolit provodi ione vodika. Nakon što se na anodi proizvedu vodikovi ioni, oni preko elektrolita dospiju do katode. Nakon što se na anodi proizvedu elektroni, ulaze u električne elemente koji se koriste kroz kolo izvan baterije, a zatim se vraćaju na katodu baterije kroz drugi kraj električnog kola. Kada elektroni prolaze kroz napunjeni električni uređaj, električni uređaj može raditi, kao što je proizvodnja energije, rad automobila, aviona i motora.
Između anode i katode nalazi se elektrolit koji se može koristiti za provođenje jona. Općenito, gorivne ćelije se mogu klasificirati na alkalne gorivne ćelije, gorivne ćelije fosforne kiseline, gorivne ćelije s karbonatnom otopinom soli, gorivne ćelije s čvrstim oksidom, gorivne ćelije s protonskom izmjenom i direktne gorivne ćelije zbog različitih jona koji se vode u elektrolitu ili različitih radnih temperatura . Šest tipova uključujući gorivne ćelije metanola.
Brzina elektrohemijske reakcije goriva i oksidansa u gorivoj ćeliji je vrlo niska i mora se ubrzati katalizatorom, tako da su potrebni anodni katalizator i katodni katalizator. Uzimajući za primjer gorive ćelije od polimernog elektrolita, glavni mehanizam za proizvodnju energije dolazi od sklopa membranske elektrode (MEA), koji se često naziva srcem gorivne ćelije. U osnovi, grupa elektrodnih membrana ima petoslojnu strukturu, s polimernom membranom koja provodi vodikove ione u centru, slojem anode katalizatora i slojem katodnog katalizatora s obje strane, i najudaljenijim slojem za difuziju plina (često podijeljen na sloj difuzije gorivnog plina i sloj za difuziju kiseonika).
Struktura sloja katalizatora je prilično složena i raznolika. Budući da se ovdje dešavaju najvažnije elektrohemijske promjene, ako je sloj katalizatora loše dizajniran ili proizveden, gorivna ćelija neće moći generirati dovoljnu struju i efikasnost će biti smanjena. Sloj katalizatora je u sendviču između polimerne membrane i sloja za difuziju gasa. Metoda proizvodnje je ravnomjerno miješanje odgovarajuće količine katalizatora i otopine polimerne membrane. Ova miješana otopina naziva se suspenzija katalizatora. Pomiješana suspenzija se može nanijeti na sloj za difuziju plina ili na polimernu membranu. Međutim, polimerna membrana lako apsorbira otapalo u miješanoj suspenziji i deformira se, što često uzrokuje poteškoće u proizvodnji.
Sada upotrijebite sloj katalizatora kisika da ilustrirate kako se reakcija odvija. Kada kisik uđe u gorivu ćeliju, prvo se mora raspršiti kako bi ravnomjerno stigao do sloja katalizatora. Općenito, materijal koji čini sloj za difuziju plina je karbonska tkanina ili karbonski papir, koji se mora grafitizirati na visokoj temperaturi da bi postao provodljiv i povećao otpornost na koroziju. , jer ugljični materijali lako korodiraju pod utjecajem električnih polja.
Štaviše, sloj za difuziju gasa takođe mora biti hidrofoban. Ako se politetrafluoroetilen (PTFE, također poznat kao teflon) doda u sloj za difuziju plina, zbog hidrofobnih svojstava teflona, vodena para koja ulazi i izlazi iz grupe elektrodnih membrana neće Kondenzacija u sloju za difuziju plina može spriječiti kondenzirane kapljice vode od izazivanja opstrukcije sloja difuzije gasa. S druge strane, teflon djeluje i kao vezivo. Zbog stabilnosti njegove strukture fluorougljika, neće se dekonstruirati zbog napada slobodnih radikala koji nastaju u potencijalnom radu.
Reakcioni gas dolazi do sloja katalizatora nakon što prođe kroz sloj difuzije gasa, a na površini metala katalizatora dolazi do elektrohemijskih reakcija. Druga funkcija sloja za difuziju plina je provođenje elektrona. Elektroni potrebni za reakciju koriste sloj za difuziju plina za ulazak i izlazak, tako da sloj difuzije plina mora biti sposoban provoditi elektrone i imati visoku provodljivost. Općenito, nakon dodavanja teflona u sloj za difuziju plina, provodljivost će se smanjiti, tako da treba dodati ugljeni prah visoke provodljivosti kako bi se povećala provodljivost.
Površina katalizatora mora biti u kontaktu s elektrolitom (tj. proton provodljivom membranom) jer se elektrokemijska reakcija događa na granici između njih. Ioni vodika potrebni za reakciju se prenose elektrolitom, tako da će loš kontakt između katalizatora i elektrolita negativno utjecati na tok reakcije. Ako katalizator nije u kontaktu s elektrolitom, njegova funkcija će nestati. Svi elektroni potrebni za reakciju ulaze i izlaze kroz katalizator. Međutim, loša provodljivost samog katalizatora ili loš kontakt između čestica katalizatora također će uzrokovati otpor ulasku i izlasku elektrona. Svi navedeni faktori uzrokuju povećanje otpora unutar grupe elektrodnih membrana i smanjuju izlaznu snagu baterije.
Kada se koriste u gorivnim ćelijama, elektrodni katalizatori obično moraju imati visoku katalitičku aktivnost, visoku provodljivost, visoku elektrohemijsku stabilnost, otpornost na oksidaciju ili redukciju, nisku cijenu i obilje izvora. Platina je skupa i treba je koristiti što je manje moguće. Međutim, premalo će također utjecati na napredak reakcije. Alternativni materijali katalizatora su također jedan od fokusa trenutnih istraživanja i razvoja. Katalizator elektrode je najvažniji funkcionalni materijal u strukturi elektrodne membrane, a njegova glavna funkcija je katalizator elektrokemijske reakcije.
Na anodi se molekule vodika oksidiraju u elektrone i protone. Ako se metanol napaja direktno, reakcija će biti složenija i mora se sastojati od elektrodnog katalizatora koji neće biti zauzet jako adsorbiranim produktima reakcije oksidacije metanola na površini reakcije, kao što su legure i oksidi za kontinuiranu katalizu metanola. i molekule vode za proizvodnju elektrona, protona i ugljičnog dioksida.
Katodi je potreban katalizator koji može reducirati kisik. Makrociklični metalni kompleksi koji mogu adsorbirati molekule kisika obično se koriste kao katalizatori elektroda. Površinska adsorpcija molekula kiseonika je katalitički uslov za elektrohemijsku reakciju redukcije kiseonika. Katalizatoru je potrebno polimerno vezivo da bi se vezalo u sloj katalizatora. Ovo vezivo može biti i polimerni elektrolit, koji ne samo da ima funkciju vezivanja katalizatora, već je i način transporta vodikovih jona. Uzimajući za primjer kisikovu katodu, kada se reakcija odvija na površini katalizatora, potrebno je prisustvo kisika. Ovaj kisik nije plin, već kisik otopljen u elektrolitu, a ioni vodika također dolaze do površine katalizatora preko elektrolita, a elektroni do površine katalizatora kroz kontakt između sloja za difuziju plina i sloja katalizatora. Među njima su nezamjenjivi otopljeni kisik, vodikovi ioni i elektroni, a reakcija se ne može odvijati bez jednog od njih.
S druge strane, voda nastala reakcijom ne može ostati na površini katalizatora. Proizvedena voda mora se odmah ukloniti kako bi se reaktanti ponovo taložili na površini katalizatora. Odlazak proizvoda je također jedan od faktora koji utječe na brzinu reakcije. jedan. Proizvod gorivne ćelije je voda, tako da je važno pitanje kako brzo ukloniti vodu iz gorivne ćelije.
Za gorive ćelije od polimernog elektrolita koje koriste vodonik kao napajanje, jezgro dobrog rada gorivne ćelije zahtijeva postojanje četiri puta, naime vodoničnih jonskih kanala, kanala otopljenog kisika, elektronskih kanala i vodenih kanala. Ako su ovi putevi neefikasni, dovest će do smanjene efikasnosti proizvodnje električne energije. Stoga je proizvodnja snopova elektrodnih membrana još uvijek tehnički proces. Svaki proizvođač gorivih ćelija ima svoju jedinstvenu proizvodnu metodu za proizvodnju ove ključne komponente.
Snaga gorivne ćelije određena je veličinom grupe elektrodnih membrana i brojem grupa elektrodnih membrana u bateriji. Membranski snop elektroda je jezgra gorivne ćelije polimernog elektrolita i ključna komponenta performansi snage gorivne ćelije. Sa odgovarajućim dizajnom polja protoka, upravljanjem vodom i radnim uslovima upravljanja toplotom, mogu se formirati gorivne ćelije za različite namene.
Tehnički opis plinodifuzionog sloja
Osnovni materijal strukture plinskog difuzionog sloja gorive ćelije membrane protonske izmjene obično su proizvodi od ugljičnih vlakana (karbonska vlakna), kao što su karbonski papir (karbonski papir) i tkana vlakna (tkana vlakna) ili se nazivaju karbonska tkanina (karbonska tkanina), korištenje karbonskih vlakana kao plina Prednost materijala difuzijskog sloja je njegova struktura visoke poroznosti i visoka električna provodljivost.
Najčešće korištena struktura difuzionog sloja gorivih ćelija je papir od karbonskih vlakana. Proces se općenito naziva proces izrade papira. Tokom procesa, svojstva sirovine, provodljivost i hemijska stabilnost karbonskog papira takođe se moraju poboljšati. Metoda je korištenje papira od karbonskih vlakana kao osnove, dodavanje karbonskih kompozitnih materijala, miješanje i toplinska obrada. U procesu se mogu dodati i odgovarajuće srednje sirovine i može se razviti isti karbonski papir sa korišćenim karakteristikama.
Prije faze izrade papira od karbonskog papira, kontinuirana vlakna vlakana moraju se izrezati na kratke segmente vlakana između 3~12 mm. Proces nakon formiranja segmenata kratkih vlakana dijeli se na 1. Izradu papira, 2. Impregnaciju kompozitnom smolom, 3. Toplotno presovanje, 4. obradu karbonizacijom i 5. obradu grafitizacijom.
Proizvođači karbonskog papira koji se trenutno mogu koristiti u slojevima za difuziju plina gorivih ćelija uključuju TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy i druge kompanije. Opća metoda proizvodnje mikroporoznog sloja (MPL) je prvo korištenje ultrazvučnog oscilatora za miješanje i miješanje ovih komponenti, i na kraju pravljenje tečne suspenzije (tinta), a zatim korištenje tehnologije premaza (kao što je metoda prskanja, metoda doktorske oštrice), metoda sito štampe) Suspenzija se nanosi na površinu karbonskog papira, a zatim se mikroporozni sloj može dobiti visokotemperaturnim sinterovanjem. Proizvođači karbonskog papira kupcima također pružaju kompletne proizvode presvučene mikroporoznim slojevima. Slojevi za difuziju plina (GDL) igraju mnoge uloge i funkcije u gorivnim ćelijama, kao što su:
(1) Obezbedite kanale za reakcioni gas (H2, O2).
(2) Osigurajte kanal za produkte reakcije (voda, toplina) da napuste sloj katalizatora
(3) Omogućiti ulazne i izlazne kanale za elektrone elektrohemijske reakcije
(4) Djeluje kao strukturna podrška za sloj katalizatora i tijelo membrane za izmjenu protona
Iz gore navedenih karakteristika može se vidjeti da plinski difuzijski sloj (GDL) mora istovremeno imati svojstva kao što su električna provodljivost, toplinska provodljivost, poroznost, propusnost zraka i hidrofilna/hidrofobna svojstva. Trenutno, jedini dobavljači materijala za slojeve difuzije plina gorivih ćelija u svijetu su Toray, Ballard, Avcarb, SGL i Taiwan Carbon Energy. Međutim, jedinična cijena je vrlo visoka i potražnja je često u nedostatku. Stoga, ako postoji inovativna tehnologija, ona može smanjiti troškove i postići ekonomične rezultate. Proizvodnja ovog ključnog materijala u velikom obimu je vrijedna ulaganja u ovu tehnologiju.
Sloj za difuziju gasa je osnovna komponenta PEMFC-a, a sloj za difuziju gasa je važan komponentni materijal elektrode. Uobičajeni materijali za slojeve difuzije plina uključuju papir od karbonskih vlakana, tkaninu od karbonskih vlakana, netkanu tkaninu i čađu papir. Ali neki također koriste metalne materijale, kao što je ravna metalna spužva-mrežasta metalna nikla.
Papir od karbonskih vlakana je materijal za sloj difuzije gasa koji se široko koristi u elektrodama. Da bi se koristio u PEMFC-u, mora ispunjavati sljedeće zahtjeve performansi:
(1) Ujednačena porozna struktura daje odličnu prozračnost;
(2) Niska otpornost, što mu daje visoku elektronsku provodljivost;
(3) Struktura je kompaktna i površina je ravna, smanjujući kontaktni otpor i poboljšavajući provodljivost;
(4) Ima određenu mehaničku čvrstoću, koja je pogodna za proizvodnju elektroda i obezbeđuje stabilnost strukture elektrode u dugotrajnim radnim uslovima;
(5) Ima hemijsku stabilnost i termičku stabilnost; niska cijena proizvodnje i visoka CP vrijednost.