Zasadniczo ogniwo paliwowe to urządzenie, które bezpośrednio zamienia energię chemiczną na energię elektryczną. Nie wymaga dodatkowego ładowania. Dopóki paliwo i utleniacz są stale uzupełniane, może ono nadal działać i generować energię elektryczną. Uzupełnione paliwo i utleniacz nie podlegają reakcji spalania, ale reakcji elektrochemicznej między paliwem a utleniaczem, aby wytworzyć prąd elektryczny.
Dlatego takiej reakcji elektrochemicznej towarzyszy transfer ładunku na skutek reakcji chemicznych. Elektrony i jony dopełniają transfer ładunku poprzez różne ścieżki reakcji. Podczas procesu reakcji ogniwa paliwowego paliwo i utleniacz nie mogą się mieszać, ale wchodzą do ogniwa paliwowego oddzielnie i reagują indywidualnie na anodzie i katodzie akumulatora.
Paliwo generuje elektrony po reakcji elektrochemicznej. Elektrony przepływają do drugiej elektrody przez elektrodę i obwód zewnętrzny, aby zareagować z utleniaczem. Po przyjęciu elektronów przez utleniacz, reaguje i przewodzi jony przez elektrolit w baterii, tworząc obwód do działania elektronów.
Jednostka centralna ogólnego ogniwa paliwowego składa się z trzech podstawowych komponentów: anody, katody i elektrolitu pomiędzy dwiema elektrodami. Zwykle wodór jest używany jako paliwo, a tlen jako utleniacz. Paliwo jest utleniane na anodzie, a tlen jest redukowany na katodzie. Ogniwa paliwowe składają się z takich jednostek centralnych połączonych szeregowo, aby utworzyć większy pakiet baterii, zwany stosem baterii.
Ogólnie rzecz biorąc, utleniaczem może być tlen w powietrzu, a jony wodoru i elektrony używane jako paliwo pochodzą z anody, a elektrolit przewodzi jony wodoru. Po wytworzeniu jonów wodoru na anodzie docierają one do katody przez elektrolit. Po wytworzeniu elektronów na anodzie wchodzą one do elementów elektrycznych używanych przez obwód poza baterią, a następnie wracają do katody baterii przez drugi koniec obwodu elektrycznego. Gdy elektrony przepływają przez obciążone urządzenie elektryczne, urządzenie elektryczne może działać, takie jak wytwarzanie energii, samochody, samoloty i działanie silnika.
Między anodą a katodą znajduje się elektrolit, który może być używany do przewodzenia jonów. Ogólnie rzecz biorąc, ogniwa paliwowe można podzielić na ogniwa paliwowe alkaliczne, ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym, ogniwa paliwowe z węglanem i stopioną solą, ogniwa paliwowe z tlenkiem stałym, ogniwa paliwowe z membraną wymiany protonów i ogniwa paliwowe bezpośrednie ze względu na różne jony przewodzone w elektrolicie lub różne temperatury pracy. Sześć typów, w tym ogniwa paliwowe metanolowe.
Szybkość reakcji elektrochemicznej paliwa i utleniacza w ogniwie paliwowym jest bardzo niska i musi być przyspieszona przez katalizator, dlatego wymagany jest katalizator anodowy i katalizator katodowy. Biorąc za przykład ogniwa paliwowe z elektrolitem polimerowym, główny mechanizm wytwarzania energii pochodzi z zespołu elektrod membranowych (MEA), który jest często nazywany sercem ogniwa paliwowego. Zasadniczo grupa membran elektrodowych ma strukturę pięciowarstwową, z membraną polimerową, która przewodzi jony wodoru w środku, warstwą katalizatora anodowego i warstwą katalizatora katodowego po obu stronach oraz najbardziej zewnętrzną warstwą dyfuzji gazu (często podzieloną na warstwę dyfuzji gazu paliwowego i warstwę dyfuzji tlenu).
Struktura warstwy katalizatora jest dość złożona i różnorodna. Ponieważ najważniejsze zmiany elektrochemiczne zachodzą tutaj, jeśli warstwa katalizatora jest źle zaprojektowana lub wyprodukowana, ogniwo paliwowe nie będzie w stanie wygenerować wystarczającego prądu, a wydajność zostanie zmniejszona. Warstwa katalizatora jest umieszczona pomiędzy membraną polimerową a warstwą dyfuzji gazu. Metoda produkcji polega na równomiernym wymieszaniu odpowiedniej ilości katalizatora i roztworu membrany polimerowej. Ten mieszany roztwór nazywa się zawiesiną katalizatora. Mieszaną zawiesinę można nanieść na warstwę dyfuzji gazu lub na membranę polimerową. Jednak membrana polimerowa łatwo absorbuje rozpuszczalnik w mieszanej zawiesinie i odkształca się, co często powoduje trudności produkcyjne.
Teraz użyj warstwy katalizatora tlenowego, aby zilustrować, jak przebiega reakcja. Kiedy tlen dostaje się do ogniwa paliwowego, musi najpierw zostać rozproszony, aby równomiernie dotrzeć do warstwy katalizatora. Zasadniczo materiałem stanowiącym warstwę dyfuzji gazu jest tkanina węglowa lub papier węglowy, który musi zostać grafityzowany w wysokiej temperaturze, aby stał się przewodzący i zwiększył odporność na korozję. , ponieważ materiały węglowe łatwo korodują pod wpływem pól elektrycznych.
Ponadto warstwa dyfuzji gazu musi być również hydrofobowa. Jeśli do warstwy dyfuzji gazu zostanie dodany politetrafluoroetylen (PTFE, znany również jako teflon), ze względu na hydrofobowe właściwości teflonu, para wodna wchodząca i wychodząca z grupy membran elektrodowych nie będzie Kondensacja w warstwie dyfuzji gazu może zapobiec zatykaniu warstwy dyfuzji gazu przez skondensowane krople wody. Z drugiej strony teflon działa również jako spoiwo. Ze względu na stabilność swojej struktury fluorowęglowej nie ulegnie on dekonstrukcji z powodu ataku wolnych rodników generowanych podczas potencjalnej pracy.
Gaz reakcyjny dociera do warstwy katalizatora po przejściu przez warstwę dyfuzji gazu, a reakcje elektrochemiczne zachodzą na powierzchni metalu katalizatora. Inną funkcją warstwy dyfuzji gazu jest przewodzenie elektronów. Elektrony wymagane do reakcji wykorzystują warstwę dyfuzji gazu do wejścia i wyjścia, więc warstwa dyfuzji gazu musi być w stanie przewodzić elektrony i mieć wysoką przewodność. Ogólnie rzecz biorąc, po dodaniu teflonu do warstwy dyfuzji gazu przewodność spadnie, więc należy dodać proszek węglowy o wysokiej przewodności, aby zwiększyć przewodność.
Powierzchnia katalizatora musi mieć kontakt z elektrolitem (tj. membraną przewodzącą protony), ponieważ reakcja elektrochemiczna zachodzi na styku między nimi. Jony wodoru wymagane do reakcji są przenoszone przez elektrolit, więc słaby kontakt między katalizatorem a elektrolitem niekorzystnie wpłynie na postęp reakcji. Jeśli katalizator nie ma kontaktu z elektrolitem, jego funkcja zniknie. Elektrony wymagane do reakcji wszystkie wchodzą i wychodzą przez katalizator. Jednak słaba przewodność samego katalizatora lub słaby kontakt między cząsteczkami katalizatora również spowoduje opór przy wchodzeniu i wychodzeniu elektronów. Wszystkie powyższe czynniki powodują wzrost oporu w grupie membrany elektrodowej i zmniejszają moc wyjściową akumulatora.
W przypadku stosowania w ogniwach paliwowych katalizatory elektrodowe zazwyczaj muszą mieć wysoką aktywność katalityczną, wysoką przewodność, wysoką stabilność elektrochemiczną, odporność na utlenianie lub redukcję, niską cenę i obfite źródła. Platyna jest droga i powinna być używana tak mało, jak to możliwe. Jednak zbyt mała jej ilość również wpłynie na postęp reakcji. Alternatywne materiały katalizatora są również jednym z obszarów zainteresowania obecnych badań i rozwoju. Katalizator elektrodowy jest najważniejszym materiałem funkcjonalnym w strukturze membrany elektrodowej, a jego główną funkcją jest katalizowanie reakcji elektrochemicznej.
Na anodzie cząsteczki wodoru są utleniane do elektronów i protonów. Jeśli metanol jest podawany bezpośrednio, reakcja będzie bardziej skomplikowana i musi składać się z katalizatora elektrodowego, który nie będzie zajęty przez silnie zaadsorbowane produkty reakcji utleniania metanolu na powierzchni reakcji, takie jak stopy i tlenki, aby stale katalizować cząsteczki metanolu i wody w celu wytwarzania elektronów, protonów i dwutlenku węgla.
Katoda wymaga katalizatora, który może redukować tlen. Kompleksy makrocyklicznych metali, które mogą adsorbować cząsteczki tlenu, są zwykle stosowane jako katalizatory elektrodowe. Powierzchniowa adsorpcja cząsteczek tlenu jest warunkiem katalitycznym dla elektrochemicznej reakcji redukcji tlenu. Katalizator potrzebuje spoiwa polimerowego, które zostanie połączone z warstwą katalizatora. Spoiwem tym może być również elektrolit polimerowy, który nie tylko ma funkcję wiązania katalizatora, ale jest również sposobem na transport jonów wodorowych. Biorąc za przykład katodę tlenową, gdy reakcja zachodzi na powierzchni katalizatora, wymagana jest obecność tlenu. Ten tlen nie jest gazem, ale tlenem rozpuszczonym w elektrolicie, a jony wodoru również docierają do powierzchni katalizatora przez elektrolit, a elektrony docierają do powierzchni katalizatora przez kontakt między warstwą dyfuzyjną gazu a warstwą katalizatora. Spośród nich niezbędny jest rozpuszczony tlen, jony wodoru i elektrony, a reakcja nie może przebiegać bez jednego z nich.
Z drugiej strony, woda wytworzona w wyniku reakcji nie może pozostać na powierzchni katalizatora. Wytworzona woda musi zostać natychmiast usunięta, aby zrobić miejsce dla reagentów, aby mogły ponownie osiąść na powierzchni katalizatora. Odejście produktów jest również jednym z czynników wpływających na szybkość reakcji. jeden. Produktem ogniwa paliwowego jest woda, więc to, jak szybko usunąć wodę z ogniwa paliwowego, jest ważną kwestią.
W przypadku ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym, które wykorzystują wodór jako surowiec, rdzeń dobrej pracy ogniwa paliwowego wymaga istnienia czterech ścieżek, a mianowicie kanałów jonów wodorowych, kanałów rozpuszczonego tlenu, kanałów elektronowych i kanałów wodnych. Jeśli ścieżki te są nieskuteczne, doprowadzą do zmniejszenia wydajności wytwarzania energii. Dlatego produkcja stosów membran elektrodowych jest nadal procesem technicznym. Każdy producent stosów ogniw paliwowych ma swoją własną unikalną metodę produkcji tego kluczowego komponentu.
Moc ogniwa paliwowego jest określana przez rozmiar grupy membran elektrodowych i liczbę grup membran elektrodowych w pakiecie baterii. Stos membran elektrodowych jest rdzeniem ogniwa paliwowego z elektrolitem polimerowym i kluczowym elementem wydajności energetycznej stosu ogniw paliwowych. Przy odpowiedniej konstrukcji pola przepływu, zarządzaniu wodą i warunkach pracy zarządzania termicznego można tworzyć ogniwa paliwowe do różnych celów.
Opis techniczny warstwy dyfuzyjnej gazu
Materiałem bazowym struktury warstwy dyfuzyjnej gazu w ogniwach paliwowych z membraną wymiany protonów są zazwyczaj produkty z włókna węglowego (Carbon-Fiber), takie jak papier węglowy (Carbon Paper) i włókno tkane (Woven Fiber) lub zwane tkaniną węglową (Carbon Cloths), w których włókno węglowe jest gazem. Zaletą materiału warstwy dyfuzyjnej jest jego struktura o wysokiej porowatości i wysoka przewodność elektryczna.
Najczęściej stosowaną strukturą warstwy dyfuzyjnej gazu ogniwa paliwowego jest papier z włókna węglowego. Proces ten jest ogólnie nazywany procesem papierniczym. Podczas procesu właściwości surowca, przewodność i stabilność chemiczna papieru węglowego muszą być również ulepszone. Metoda polega na użyciu papieru z włókna węglowego jako podstawy, dodaniu materiałów kompozytowych z węgla, wymieszaniu i obróbce cieplnej. W procesie można również dodać odpowiednie surowce pośrednie i opracować ten sam papier węglowy o zastosowanych cechach.
Przed etapem produkcji papieru węglowego włókna ciągłe muszą zostać pocięte na krótkie segmenty włókien o długości 3~12 mm. Proces po uformowaniu krótkich segmentów włókien dzieli się na 1. Produkcja papieru, 2. Impregnacja żywicą kompozytową, 3. Formowanie metodą prasowania termicznego, 4. obróbka karbonizacyjna i 5. obróbka grafityzacyjna.
Producenci papieru węglowego, których można obecnie używać w warstwach dyfuzyjnych gazu w ogniwach paliwowych, to TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy i inne firmy. Ogólna metoda produkcji warstwy mikroporowatej (MPL) polega na najpierw użyciu oscylatora ultradźwiękowego do mieszania i mieszania tych składników, a na końcu na wytworzeniu płynnej zawiesiny (atramentu), a następnie zastosowaniu technologii powlekania (takiej jak metoda natryskowa, metoda rakli), metoda sitodruku). Zawiesina jest powlekana na powierzchni papieru węglowego, a następnie warstwa mikroporowata może być uzyskana poprzez spiekanie w wysokiej temperaturze. Producenci papieru węglowego dostarczają również klientom kompletne produkty pokryte warstwami mikroporowatymi. Warstwy dyfuzyjne gazu (GDL) odgrywają wiele ról i funkcji w ogniwach paliwowych, takich jak:
(1) Zapewnij kanały gazu reakcyjnego (H2, O2)
(2) Zapewnij kanał, przez który produkty reakcji (woda, ciepło) mogą opuścić warstwę katalizatora
(3) Zapewnij kanały wejścia i wyjścia dla elektronów reakcji elektrochemicznych
(4) Działać jako strukturalne wsparcie dla warstwy katalizatora i korpusu membrany wymiany protonów
Z powyższych cech wynika, że warstwa dyfuzji gazu (GDL) musi mieć jednocześnie takie właściwości, jak przewodnictwo elektryczne, przewodnictwo cieplne, porowatość, przepuszczalność powietrza i właściwości hydrofilowe/hydrofobowe. Obecnie jedynymi dostawcami materiałów do warstw dyfuzji gazu ogniw paliwowych na świecie są Toray, Ballard, Avcarb, SGL i Taiwan Carbon Energy. Jednak cena jednostkowa jest bardzo wysoka, a popyt często jest ograniczony. Dlatego jeśli istnieje innowacyjna technologia, może ona obniżyć koszty i osiągnąć ekonomiczne wyniki. Produkcja tego kluczowego materiału na skalę jest warta inwestycji w tę technologię.
Warstwa dyfuzji gazu jest głównym składnikiem PEMFC, a warstwa dyfuzji gazu jest ważnym materiałem składowym elektrody. Powszechnie stosowane materiały warstwy dyfuzji gazu obejmują papier z włókna węglowego, tkaninę z włókna węglowego, tkaninę nietkaną i papier z sadzy węglowej. Ale niektóre wykorzystują również materiały metalowe, takie jak płaska metalowa siatka gąbczasta z metalowym niklem.
Papier z włókna węglowego to materiał warstwy dyfuzji gazu szeroko stosowany w elektrodach. Aby mógł być stosowany w PEMFC, musi spełniać następujące wymagania dotyczące wydajności:
(1) Jednolita struktura porowata zapewnia doskonałą oddychalność;
(2) Niska rezystywność, co zapewnia wysoką przewodność elektroniczną;
(3) Struktura jest zwarta, a powierzchnia płaska, co zmniejsza rezystancję styku i poprawia parametry przewodzące;
(4) Posiada pewną wytrzymałość mechaniczną, co jest wygodne przy produkcji elektrod i zapewnia stabilność struktury elektrody w długoterminowych warunkach eksploatacji;
(5) Posiada stabilność chemiczną i termiczną, niskie koszty produkcji i wysoką wartość CP.