I grund och botten är en bränslecell en enhet som direkt omvandlar kemisk energi till elektrisk energi. Den kräver ingen extra laddning. Så länge som bränsle och oxidationsmedel kontinuerligt fylls på kan det fortsätta att fungera och generera elektricitet. Det tillsatta bränslet och oxidationsmedlet genomgår inte en förbränningsreaktion, utan en elektrokemisk reaktion mellan bränslet och oxidanten för att generera elektrisk ström.
Därför åtföljs en sådan elektrokemisk reaktion av överföring av laddning på grund av kemiska reaktioner. Elektroner och joner fullbordar överföringen av laddning genom olika reaktionsvägar. Under bränslecellens reaktionsprocess kan bränslet och oxidationsmedlet inte blandas, utan kommer in i bränslecellen separat och reagerar individuellt vid batteriets anod och katod.
Bränslet genererar elektroner efter en elektrokemisk reaktion. Elektronerna strömmar till den andra elektroden genom elektroden och den externa kretsen för att reagera med oxidationsmedlet. Efter att oxidanten tagit emot elektronerna, reagerar den och leder joner genom elektrolyten i batteriet, vilket bildar en krets för elektrondrift.
Kärnenheten i en allmän bränslecell är sammansatt av tre grundläggande komponenter: en anod, en katod och elektrolyten mellan de två elektroderna. Vanligtvis används väte som bränsle och syre används som oxidationsmedel. Bränslet oxideras vid anoden och syre reduceras vid katoden. Bränsleceller är sammansatta av sådana kärnenheter kopplade i serie för att bilda ett större kraftbatteripaket, eller kallat en batteristack.
I allmänhet kan oxidationsmedlet vara syre i luften, och vätejonerna och elektronerna som används som bränsle kommer från anoden, och elektrolyten leder vätejoner. Efter att vätejoner har producerats vid anoden når de katoden genom elektrolyten. Efter att elektroner har producerats vid anoden kommer de in i de elektriska föremålen som används genom kretsen utanför batteriet och återvänder sedan till batteriets katod genom den andra änden av den elektriska kretsen. När elektroner strömmar genom den laddade elektriska apparaten kan den elektriska apparaten fungera, såsom kraftgenerering, bilar, flygplan och motordrift.
Mellan anoden och katoden finns en elektrolyt som kan användas för att leda joner. Generellt kan bränsleceller klassificeras i alkaliska bränsleceller, fosforsyrabränsleceller, bränsleceller med karbonatsmälta salt, bränsleceller med fast oxid, bränsleceller för protonbytesmembran och direkta bränsleceller på grund av olika joner som leds i elektrolyten eller olika driftstemperaturer . Sex typer inklusive metanolbränsleceller.
Den elektrokemiska reaktionshastigheten för bränslet och oxidanten i bränslecellen är mycket låg och måste accelereras av en katalysator, så en anodkatalysator och en katodkatalysator krävs. Om man tar polymerelektrolytbränsleceller som ett exempel, kommer den huvudsakliga kraftgenereringsmekanismen från Membrane Electrode Assembly (MEA), som ofta kallas bränslecellens hjärta. I grund och botten har elektrodmembrangruppen en femskiktsstruktur, med ett polymermembran som leder vätejoner i mitten, anodkatalysatorskikt och katodkatalysatorskikt på båda sidor, och det yttersta gasdiffusionsskiktet (ofta uppdelat i bränslegasdiffusionsskikt och syrediffusionsskikt).
Katalysatorskiktets struktur är ganska komplex och mångsidig. Eftersom de viktigaste elektrokemiska förändringarna sker här, om katalysatorskiktet är dåligt utformat eller tillverkat, kommer bränslecellen inte att kunna generera tillräcklig ström och verkningsgraden kommer att minska. Katalysatorskiktet är placerat mellan polymermembranet och gasdiffusionsskiktet. Tillverkningsmetoden är att likformigt blanda en lämplig mängd katalysator och lösningen av polymermembranet. Denna blandade lösning kallas katalysatorslurry. Den blandade slurryn kan beläggas på gasdiffusionsskiktet eller på polymermembranet. Emellertid absorberar polymermembranet lätt lösningsmedlet i den blandade slammet och deformeras, vilket ofta orsakar tillverkningssvårigheter.
Använd nu syrekatalysatorskiktet för att illustrera hur reaktionen fortskrider. När syre kommer in i bränslecellen måste det först dispergeras för att nå katalysatorskiktet jämnt. I allmänhet är materialet som utgör gasdiffusionsskiktet koltyg eller kolpapper, som måste grafitiseras vid hög temperatur för att göra det ledande och öka korrosionsbeständigheten. , eftersom kolmaterial lätt korroderas under påverkan av elektriska fält.
Dessutom måste gasdiffusionsskiktet också vara hydrofobt. Om polytetrafluoreten (PTFE, även känd som teflon) läggs till gasdiffusionsskiktet, på grund av de hydrofoba egenskaperna hos teflon, kommer vattenångan som kommer in i och ut från elektrodmembrangruppen inte Kondensation i gasdiffusionsskiktet kan förhindra de kondenserade vattendropparna från att orsaka obstruktion av gasdiffusionsskiktet. Å andra sidan fungerar Teflon också som bindemedel. På grund av stabiliteten hos dess fluorkolvätestruktur kommer den inte att dekonstrueras på grund av attacken av fria radikaler som genereras under potentiell drift.
Reaktionsgasen når katalysatorskiktet efter att ha passerat genom gasdiffusionsskiktet, och elektrokemiska reaktioner sker på ytan av katalysatormetallen. En annan funktion hos gasdiffusionsskiktet är att leda elektroner. De elektroner som krävs för reaktionen använder gasdiffusionsskiktet för att komma in och ut, så gasdiffusionsskiktet måste kunna leda elektroner och ha hög konduktivitet. I allmänhet, efter tillsats av teflon till gasdiffusionsskiktet, kommer konduktiviteten att minska, så kolpulver med hög konduktivitet bör tillsättas för att öka konduktiviteten.
Katalysatorytan måste vara i kontakt med elektrolyten (dvs. protonledande membran) eftersom den elektrokemiska reaktionen sker vid gränsytan mellan de två. Vätejonerna som krävs för reaktionen överförs alla av elektrolyten, så dålig kontakt mellan katalysatorn och elektrolyten kommer att negativt påverka reaktionens fortskridande. Om katalysatorn inte är i kontakt med elektrolyten försvinner dess funktion. Elektronerna som krävs för reaktionen kommer alla in och ut genom katalysatorn. Dålig ledningsförmåga hos själva katalysatorn eller dålig kontakt mellan katalysatorpartiklar kommer emellertid också att orsaka motstånd mot elektronernas in- och utträde. Ovanstående faktorer orsakar alla en ökning av resistansen inom elektrodmembrangruppen och minskar batteriets uteffekt.
När de används i bränsleceller måste elektrodkatalysatorer vanligtvis ha hög katalytisk aktivitet, hög ledningsförmåga, hög elektrokemisk stabilitet, motståndskraft mot oxidation eller reduktion, lågt pris och rikliga källor. Platina är dyrt och bör användas så lite som möjligt. Men för lite kommer också att påverka reaktionens fortskridande. Alternativa katalysatormaterial är också ett av fokusområdena för aktuell forskning och utveckling. Elektrodkatalysator är det viktigaste funktionella materialet i elektrodmembranstrukturen, och dess huvudsakliga funktion är att katalysera den elektrokemiska reaktionen.
Vid anoden oxideras vätemolekyler till elektroner och protoner. Om metanol matas direkt kommer reaktionen att bli mer komplicerad och den måste bestå av en elektrodkatalysator som inte kommer att upptas av de starkt adsorberade produkterna från metanoloxidationsreaktionen på reaktionsytan, såsom legeringar och oxider för att kontinuerligt katalysera metanol och vattenmolekyler för att producera elektroner, protoner och koldioxid.
Katoden kräver en katalysator som kan reducera syre. Makrocykliska metallkomplex som kan adsorbera syremolekyler används vanligtvis som elektrodkatalysatorer. Ytadsorption av syremolekyler är det katalytiska villkoret för den elektrokemiska reaktionen för syrereduktion. Katalysatorn behöver ett polymerbindemedel för att bindas i katalysatorskiktet. Detta bindemedel kan också vara en polymerelektrolyt, som inte bara har funktionen att binda katalysatorn, utan också är ett sätt att transportera vätejoner. Om man tar syrekatoden som ett exempel, när reaktionen fortskrider på katalysatorytan, krävs närvaro av syre. Detta syre är inte en gas, utan syre löst i elektrolyten, och vätejonerna når också katalysatorytan genom elektrolyten, och elektronerna når katalysatorytan genom kontakten mellan gasdiffusionsskiktet och katalysatorskiktet. Bland dem är löst syre, vätejoner och elektroner oumbärliga, och reaktionen kan inte fortsätta utan en av dem.
Å andra sidan kan vattnet som produceras av reaktionen inte stanna på katalysatorytan. Det producerade vattnet måste avlägsnas omedelbart för att ge plats åt reaktanterna att sedimentera på katalysatorytan igen. Produkternas avgång är också en av de faktorer som påverkar reaktionshastigheten. en. Bränslecellens produkt är vatten, så hur man snabbt tar bort vatten från bränslecellen är en viktig fråga.
För polymerelektrolytbränsleceller som använder väte som matning kräver kärnan i en bra bränslecellsdrift existensen av fyra vägar, nämligen vätejonkanaler, kanaler för löst syre, elektronkanaler och vattenkanaler. Om dessa vägar är ineffektiva kommer de att resultera i minskad kraftgenereringseffektivitet. Därför är tillverkningen av elektrodmembranstaplar fortfarande en teknisk process. Varje tillverkare av bränslecellstack har sin egen unika tillverkningsmetod för att producera denna nyckelkomponent.
Effekten hos en bränslecell bestäms av storleken på elektrodmembrangruppen och antalet elektrodmembrangrupper i batteripaketet. Elektrodmembranstapeln är kärnenheten i polymerelektrolytbränslecellen och en nyckelkomponent i bränslecellstapelns kraftprestanda. Med lämplig utformning av flödesfält, vattenhantering och driftförhållanden för termisk hantering kan bränsleceller för olika ändamål bildas.
Teknisk beskrivning av gasdiffusionslager
Basmaterialet i gasdiffusionslagrets struktur i protonbytesmembranbränslecellen är vanligtvis kolfiber (Carbon-Fiber) produkter, såsom kolpapper (Carbon Paper) och vävda fibrer (Woven Fiber) eller kallad kolduk (Carbon Cloths), använder kolfiber som gas. Fördelen med diffusionsskiktsmaterialet är dess höga porositetsstruktur och höga elektriska ledningsförmåga.
Den vanligaste bränslecellsgasdiffusionsskiktstrukturen är kolfiberpapper. Processen kallas i allmänhet papperstillverkningsprocessen. Under processen måste även råvaruegenskaperna, konduktiviteten och den kemiska stabiliteten hos karbonpappret förbättras. Metoden är att använda kolfiberpapper som bas, tillsätta kolkompositmaterial, blanda och värmebehandla. I processen kan även lämpliga mellanråvaror tillsättas och samma karbonpapper kan utvecklas med de egenskaper som används.
Innan papperstillverkningsstadiet av kolpapper måste de kontinuerliga filamentfibrerna skäras i korta fibersegment mellan 3 ~ 12 mm. Processen efter formning av de korta fibersegmenten är uppdelad i 1. Pappersframställning, 2. Impregnering med kompositharts, 3. Värmepressformning, 4. karboniseringsbehandling och 5. grafiteringsbehandling.
Tillverkare av kolpapper som för närvarande kan användas i bränslecellsgasdiffusionsskikt inkluderar TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy och andra företag. Den allmänna produktionsmetoden för mikroporöst skikt (MPL) är att först använda en ultraljudsoscillator för att blanda och röra om dessa komponenter, och slutligen göra en flytande uppslamning (bläck) och sedan använda beläggningsteknik (som sprutmetod, schabermetod), screentrycksmetod) Uppslamningen beläggs på ytan av karbonpappret och sedan kan det mikroporösa skiktet erhållas genom sintring med hög temperatur. Tillverkare av kolpapper tillhandahåller även kompletta produkter belagda med mikroporösa lager till kunderna. Gasdiffusionsskikt (GDL) spelar många roller och funktioner i bränsleceller, såsom:
(1) Tillhandahåll reaktionsgaskanaler (H2, O2).
(2) Tillhandahåll en kanal för reaktionsprodukter (vatten, värme) för att lämna katalysatorskiktet
(3) Tillhandahåll ingångs- och utgångskanaler för elektrokemiska reaktionselektroner
(4) Fungerar som strukturellt stöd för katalysatorskiktet och protonbytesmembrankroppen
Av ovanstående egenskaper kan man se att gasdiffusionsskiktet (GDL) måste ha egenskaper såsom elektrisk ledningsförmåga, värmeledningsförmåga, porositet, luftpermeabilitet och hydrofila/hydrofoba egenskaper på samma gång. För närvarande är de enda materialleverantörerna för bränslecellsgasdiffusionslager i världen Toray, Ballard, Avcarb, SGL och Taiwan Carbon Energy. Styckpriset är dock mycket högt och efterfrågan är ofta en bristvara. Därför, om det finns en innovativ teknik, kan den minska kostnaderna och uppnå ekonomiska resultat. Att producera detta nyckelmaterial i stor skala är värt investeringen i denna teknik.
Gasdiffusionsskiktet är kärnkomponenten i PEMFC, och gasdiffusionsskiktet är ett viktigt komponentmaterial i elektroden. Vanligt använda gasdiffusionsskiktmaterial inkluderar kolfiberpapper, kolfibervävt tyg, nonwoven tyg och kolsvart papper. Men en del använder också metallmaterial, till exempel metallnickel med svampnät.
Kolfiberpapper är ett gasdiffusionsskiktmaterial som ofta används i elektroder. För att användas i PEMFC måste den uppfylla följande prestandakrav:
(1) Enhetlig porös struktur ger den utmärkt andningsförmåga;
(2) Låg resistivitet, vilket ger den hög elektronisk konduktivitet;
(3) Strukturen är kompakt och ytan är platt, vilket minskar kontaktmotståndet och förbättrar ledande prestanda;
(4) Den har en viss mekanisk hållfasthet, som är bekväm för produktion av elektroder och ger stabilitet hos elektrodstrukturen under långvariga driftsförhållanden;
(5) Den har kemisk stabilitet och termisk stabilitet; låg tillverkningskostnad och högt CP-värde.