Teknologi Persiapan Elektroda Membran Penyemprotan Ultrasonik

Elektroda membran adalah komponen inti dari sel bahan bakar, yang mengintegrasikan transportasi dan reaksi elektrokimia dari bahan heterogen, secara langsung menentukan kinerja, umur, dan biaya sel bahan bakar membran penukar proton. Elektroda membran dan pelat bipolar di kedua sisi bersama-sama membentuk sel bahan bakar tunggal, dan kombinasi dari beberapa sel tunggal dapat membentuk tumpukan sel bahan bakar untuk memenuhi berbagai persyaratan keluaran daya. Desain dan optimasi struktur MEA, pemilihan material, dan optimasi proses manufaktur selalu menjadi fokus penelitian PEMFC. Dalam proses pengembangan PEMFC, teknologi elektroda membran telah mengalami beberapa generasi inovasi, yang terutama dibagi menjadi tiga jenis: metode pengepresan panas GDE, elektroda membran tiga dalam satu CCM, dan elektroda membran terurut.

1. Elektroda Film Tertekan Panas GDE

Teknologi persiapan MEA generasi pertama menggunakan metode pengepresan panas untuk menekan katoda dan anoda GDL yang dilapisi dengan CL di kedua sisi PEM untuk mendapatkan MEA, yang dikenal sebagai struktur "GDE".

Proses persiapan MEA tipe GDE memang relatif sederhana, berkat katalis yang dilapisi secara merata pada GDL. Desain ini tidak hanya memfasilitasi pembentukan pori-pori di MEA, tetapi juga dengan cerdik melindungi PEM dari deformasi. Namun, proses ini tidak sempurna. Jika jumlah katalis yang dilapisi pada GDL tidak dapat dikontrol secara presisi, bubur katalis dapat menembus ke dalam GDL, mengakibatkan beberapa katalis tidak sepenuhnya mengerahkan efisiensinya, dan tingkat pemanfaatan bahkan bisa serendah 20%, sangat meningkatkan biaya manufaktur MEA.

Karena ketidakkonsistenan antara lapisan katalis pada GDL dan sistem ekspansi PEM, antarmuka antara keduanya rentan terhadap delaminasi selama pengoperasian jangka panjang. Hal ini tidak hanya menyebabkan peningkatan resistansi kontak internal sel bahan bakar, tetapi juga sangat mengurangi kinerja keseluruhan MEA, jauh dari mencapai tingkat ideal. Proses persiapan MEA berdasarkan struktur GDE pada dasarnya telah dihilangkan, dan hanya sedikit orang yang memperhatikannya.

2. Elektroda Membran Tiga Dalam Satu CCM

Dengan menggunakan metode seperti pelapisan langsung roll to roll, sablon, dan pelapisan semprot, bubur yang terdiri dari katalis, Nafion, dan dispersan yang sesuai dilapisi langsung pada kedua sisi membran penukar proton untuk mendapatkan MEA.

Dibandingkan dengan metode persiapan MEA tipe GDE, tipe CCM memiliki kinerja yang lebih baik, tidak mudah mengelupas, dan mengurangi resistansi transfer antara lapisan katalis dan PEM, yang bermanfaat untuk meningkatkan difusi dan pergerakan proton dalam proton. Lapisan katalis, sehingga mempromosikan lapisan katalitik dan PEM. Kontak dan transfer proton di antara mereka mengurangi resistansi transfer proton, sehingga sangat meningkatkan kinerja MEA. Penelitian tentang MEA telah bergeser dari tipe GDE ke tipe CCM. Selain itu, karena muatan Pt tipe MEA CCM yang relatif rendah, biaya keseluruhan MEA berkurang dan tingkat pemanfaatan sangat meningkat. Kerugian dari MEA tipe CCM adalah rentan terhadap banjir air selama pengoperasian sel bahan bakar. Alasan utamanya adalah tidak adanya agen hidrofobik dalam lapisan katalitik MEA, terdapat lebih sedikit saluran gas, dan resistansi transmisi gas dan air relatif tinggi. Oleh karena itu, untuk mengurangi resistansi transmisi gas dan air, ketebalan lapisan katalis umumnya tidak lebih dari 10 μm.

Karena kinerja komprehensifnya yang sangat baik, MEA tipe CCM telah dikomersialisasikan di bidang sel bahan bakar otomotif. Misalnya, Toyota Mirai, Honda Clarity, dll. MEA tipe CCM yang dikembangkan oleh Wuhan University of Technology di China telah diekspor ke Plug Power di Amerika Serikat untuk digunakan dalam forklift sel bahan bakar. MEA tipe CCM yang dikembangkan oleh Dalian Xinyuan Power telah diterapkan pada truk, dengan kapasitas muatan logam mulia berbasis platinum serendah 0,4mgPt/cm2. Kepadatan daya mencapai 0,96W/cm2. Pada saat yang sama, perusahaan dan universitas seperti Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Shanghai Jiao Tong University, dan Dalian Institute of Chemical Physics juga mengembangkan MEA tipe CCM berkinerja tinggi. Perusahaan asing seperti Komu, Gore

3. Elektroda Membran Terurut

Lapisan katalitik MEA tipe GDE dan MEA tipe CCM dicampur dengan katalis dan larutan elektrolit untuk membentuk bubur katalis, yang kemudian dilapisi. Efisiensinya sangat rendah dan ada fenomena polarisasi yang signifikan, yang tidak kondusif untuk pelepasan arus tinggi MEA. Selain itu, muatan platinum dalam MEA relatif tinggi. Pengembangan MEA berkinerja tinggi, berumur panjang, dan berbiaya rendah telah menjadi fokus perhatian. Tingkat pemanfaatan Pt dari MEA terurut sangat tinggi, secara efektif mengurangi biaya MEA, sambil mencapai transportasi proton, elektron, gas, air, dan zat lainnya yang efisien, sehingga meningkatkan kinerja komprehensif PEMFC.

Elektroda membran terurut meliputi elektroda membran terurut berdasarkan nanotube karbon, elektroda membran terurut berdasarkan film tipis katalis, dan elektroda membran terurut berdasarkan konduktor proton.

Elektroda Membran Terurut Berbasis Nanotube Karbon

Karakteristik kisi grafit dari nanotube karbon tahan terhadap potensi tinggi, dan interaksi serta elastisitasnya dengan partikel Pt meningkatkan aktivitas katalitik partikel Pt. Dalam dekade terakhir, film tipis berdasarkan nanotube karbon yang sejajar vertikal (VACNT) telah dikembangkan. Elektroda. Mekanisme pengaturan vertikal meningkatkan lapisan difusi gas, kapasitas drainase, dan efisiensi pemanfaatan Pt.

VACNT dapat dibagi menjadi dua jenis: salah satunya adalah VACNT yang terdiri dari nanotube karbon melengkung dan jarang; Jenis lainnya adalah nanotube karbon berongga yang terdiri dari nanotube karbon lurus dan padat.

Elektroda Membran Terurut Berbasis Film Tipis Katalis

Pengurutan film tipis katalis terutama mengacu pada struktur nano Pt terurut, seperti nanotube Pt, kawat nano Pt, dll. Di antaranya, perwakilan dari elektroda membran terurut katalis adalah NSTF, produk komersial dari 3M Company. Dibandingkan dengan katalis Pt/C tradisional, NSTF memiliki empat karakteristik utama: pembawa katalis adalah whisker organik terurut; Katalis membentuk film tipis berbasis Pt pada organisme seperti whisker; Tidak ada pembawa karbon dalam lapisan katalitik; Ketebalan lapisan katalis NSTF di bawah 1um.

Elektroda Membran Terurut Berbasis Konduktor Proton

Fungsi utama elektroda membran terurut konduktor proton adalah untuk memperkenalkan bahan polimer kawat nano untuk mempromosikan transportasi proton yang efisien dalam lapisan katalitik. Yu dan lainnya. Struktur TiO2/Ti dari susunan nanotube TiO2 (TNT) disiapkan pada lembaran titanium, diikuti dengan anil dalam atmosfer hidrogen untuk mendapatkan H-TNT. Partikel Pt Pd disiapkan pada permukaan H-TNT menggunakan metode sensitisasi dan perpindahan SnCl2, menghasilkan sel bahan bakar kepadatan tinggi.

Institut Ilmu Nuklir dan Departemen Teknik Otomotif di Tsinghua University telah mensintesis lapisan katalis terurut baru untuk pertama kalinya berdasarkan fungsi konduksi proton cepat dari kawat nano Nafion. Ia memiliki karakteristik berikut: batang nano Nafion tumbuh in situ pada membran penukar proton, dan resistansi kontak antarmuka dikurangi menjadi nol; Deposisi lapisan katalitik partikel Pt pada batang nano Nafion, dengan fungsi katalitik dan konduksi elektron; Batang nano Nafion memiliki konduktivitas proton yang cepat.

Elektroda membran terurut tidak diragukan lagi adalah arah utama dari teknologi persiapan elektroda membran generasi berikutnya. Sambil mengurangi muatan elemen grup platinum, lima aspek perlu dipertimbangkan lebih lanjut: elektroda membran terurut sangat sensitif terhadap pengotor; Perluas rentang kerja elektroda membran melalui optimasi material, karakterisasi, dan pemodelan; Memperkenalkan nanostruktur konduktor proton cepat ke dalam lapisan katalitik; Pengembangan proses produksi massal berbiaya rendah; Studi mendalam tentang interaksi dan efek sinergis antara membran penukar proton elektroda membran, elektrokatalis, dan lapisan difusi gas.

https://www.ultrasonic-metalwelding.com/sale-52164561-anionic-proton-exchange-membrane-ultrasonic-spraying-100khz.html

Keuntungan dari Teknologi Persiapan Elektroda Membran dan Metode Penyemprotan Ultrasonik:

(1) Dengan mengoptimalkan parameter seperti daya dan frekuensi nosel ultrasonik, bubur katalis yang teratomisasi dapat memiliki pantulan kecil dan kurang rentan terhadap semprotan berlebih, sehingga meningkatkan tingkat pemanfaatan katalis;

(2) Batang getaran ultrasonik mendispersikan partikel katalis secara tinggi, dan injektor dispersi ultrasonik memiliki efek pengadukan sekunder pada bubur katalis, sangat mengurangi kemungkinan polusi kimia platinum dan area aktivitas reaksi yang berkurang;

(3) Mudah dioperasikan, sangat otomatis, cocok untuk produksi massal elektroda membran.