فناوری آماده‌سازی الکترود غشایی با اسپری اولتراسونیک

الکترود غشا جزء اصلی سلول های سوخت است که انتقال و واکنش های الکتروشیمی مواد ناهمگن را ادغام می کند، که به طور مستقیم عملکرد، طول عمر،و هزینه سلول های سوخت غشا مبادله پروتونالکترود غشا و صفحه های دوقطبی در هر دو طرف با هم یک سلول سوخت واحد را تشکیل می دهند.و ترکیب چندین سلول تک می تواند یک مجموعه سلول سوخت را برای برآورده کردن نیازهای مختلف قدرت تولید تشکیل دهد. طراحی و بهینه سازی ساختار MEA، انتخاب مواد و بهینه سازی فرآیند تولید همیشه در تمرکز تحقیقات PEMFC بوده است.تکنولوژی الکترود غشا چندین نسل نوآوری را تجربه کرده است، عمدتا به سه نوع تقسیم می شود: روش فشار گرم GDE، CCM سه در یک الکترود غشا و الکترود غشا سفارش شده.

1. GDE الکترود فیلم فشار گرم

فناوری آماده سازی MEA نسل اول از یک روش فشار گرم برای فشرده سازی کاتود و آنود GDL های پوشش داده شده با CL در هر دو طرف PEM برای به دست آوردن MEA، به عنوان ساختار "GDE" شناخته می شود.

فرآیند آماده سازی GDE نوع MEA در واقع نسبتا ساده است، به لطف کاتالیزور که به طور یکنواخت بر روی GDL پوشش داده شده است.اما همچنین به طور هوشمندانه از PEM در برابر تغییر شکل محافظت می کندبا این حال، این فرآیند بی نقص نیست. اگر مقدار کاتالیزور پوشش داده شده بر روی GDL نمی تواند به طور دقیق کنترل شود، خمیر کاتالیزور ممکن است به GDL نفوذ کند،در نتیجه برخی از کاتالیزورها به طور کامل از کارایی خود استفاده نمی کنند، و نرخ استفاده حتی ممکن است به عنوان پایین به عنوان 20٪، به طور قابل توجهی افزایش هزینه تولید MEA.

به دلیل عدم انسجام بین پوشش کاتالیزور در GDL و سیستم گسترش PEM، رابط بین این دو در طول کار طولانی مدت مستعد از هم جدا شدن است.این نه تنها منجر به افزایش مقاومت تماس داخلی سلول های سوخت می شود، اما همچنین عملکرد کلی MEA را به شدت کاهش می دهد و به سطح ایده آل نمی رسد.و اندكى به آن توجه كرده اند.

2. CCM الکترود غشا 3 در 1

با استفاده از روش هایی مانند پوشش مستقیم رول به رول، چاپ صفحه نمایش، و پوشش اسپری، یک مواد خمیر متشکل از کاتالیزور، Nafion،و توزیع کننده مناسب به طور مستقیم در هر دو طرف غشای مبادله پروتون پوشش داده می شود تا MEA را بدست آورد..

در مقایسه با روش آماده سازی MEA نوع GDE، نوع CCM عملکرد بهتری دارد، آسان نیست که پاک شود و مقاومت انتقال بین لایه کاتالیزور و PEM را کاهش می دهد.که برای بهبود انتشار و حرکت پروتون ها در پروتون ها مفید است. لایه کاتالیزور، در نتیجه ارتقاء لایه کاتالیز و PEM. تماس و انتقال پروتون ها بین آنها مقاومت انتقال پروتون را کاهش می دهد،در نتیجه عملکرد MEA را به شدت بهبود می بخشد.تحقیقات در مورد MEA از نوع GDE به نوع CCM تغییر کرده است. علاوه بر این، به دلیل بار نسبتا کم Pt از نوع CCM MEA،هزینه کلی MEA کاهش می یابد و میزان استفاده به شدت بهبود می یابدمعایب CCM نوع MEA این است که در طول کار سلول های سوختی مستعد سیل آب است. دلیل اصلی این است که در لایه کاتالیز MEA هیچ عامل هیدروفوبیک وجود ندارد.کانال های گاز کمتر هستند، و مقاومت انتقال گاز و آب نسبتا بالا است. بنابراین، برای کاهش مقاومت انتقال گاز و آب،ضخامت لایه کاتالیزور معمولاً بیشتر از 10 μm نیست.

با توجه به عملکرد جامع عالی آن ، CCM نوع MEA در زمینه سلول های سوخت خودرو تجاری شده است. به عنوان مثال ، تویوتا Mirai ، هوندا Clarity و غیره.نوع CCM MEA که توسط دانشگاه فناوری ووهان در چین توسعه یافته است به پلگ پاور در ایالات متحده برای استفاده در قالپاق های سلول سوخت صادر شده استنوع CCM MEA که توسط Dalian Xinyuan Power توسعه یافته است، در کامیون ها استفاده شده است، با ظرفیت بارگذاری فلزات گرانبها مبتنی بر پلاتین به پایین ترین حد 0.4mgPt / cm2 می رسد.در عین حال، شرکت ها و دانشگاه هایی مثل کنشان سانشاین، ووهان هیمالایا، سوژو چینگ دونگ، دانشگاه شانگهای ژائو تونگ،و دانشکده فیزیک شیمیایی دالیان نیز در حال توسعه MEAs با عملکرد بالا CCM هستند.شرکت هاي خارجي مثل کومو، گور

3الکترود غشا سفارش داده شده

لایه کاتالیز GDE نوع MEA و CCM نوع MEA با کاتالیزور و محلول الکترولیت مخلوط می شود تا یک خمیر کاتالیزور را تشکیل دهد که سپس پوشش داده می شود.بهره وری بسیار پایین است و یک پدیده قطبی قابل توجهی وجود دارد، که به تخلیه جریان بالا از MEA کمک نمی کند. علاوه بر این، بار پلاتین در MEA نسبتا بالا است.و هزینه های پایین MEA تبدیل به یک مرکز توجه شده استنرخ استفاده Pt از MEA سفارش شده بسیار بالا است، به طور موثر کاهش هزینه MEA، در حالی که دستیابی به حمل و نقل کارآمد پروتون ها، الکترون ها، گاز ها، آب و سایر مواد،در نتیجه بهبود عملکرد کلی PEMFC.

الکترودهای غشا سفارش شده عبارتند از الکترودهای غشا سفارش شده بر اساس نانولوله های کربن، الکترودهای غشا سفارش شده بر اساس فیلم نازک کاتالیزور،و الکترودهای غشا سفارش شده بر اساس هادی پروتون.

الکترود غشا بر اساس نانولوله کربن

ویژگی های شبکه گرافیتی نانولوله های کربن در برابر پتانسیل های بالا مقاوم هستند و تعامل و انعطاف پذیری آنها با ذرات Pt فعالیت کاتالیستی ذرات Pt را افزایش می دهد.در دهه گذشته، فیلم های نازک مبتنی بر نانولوله های کربن عمودی (VACNTs) توسعه یافته است. الکترود. مکانیسم ترتیب عمودی لایه پخش گاز، ظرفیت تخلیه،و بهره وری استفاده از Pt.

VACNT را می توان به دو نوع تقسیم کرد: یکی VACNT متشکل از نانولوله های کربن منحنی و کمیاب است؛ نوع دیگر نانولوله های کربن توخالی متشکل از نانولوله های کربن مستقیم و متراکم است.

الکترود غشا سفارش شده بر اساس فیلم نازک کاتالیزور

ترتیب فیلم های نازک کاتالیزور عمدتا به ساختارهای Pt nano ordered اشاره دارد، مانند Pt nanotubes، Pt nanowires و غیره. در میان آنها نماینده الکترود غشا کاتالیزور ordered NSTF است.,یک محصول تجاری شرکت 3M. در مقایسه با کاتالیزورهای سنتی Pt / C، NSTF دارای چهار ویژگی اصلی است: حامل کاتالیزور یک ریش آلی منظم است.کاتالیزور یک فیلم نازک آلیاژ مبتنی بر Pt را بر روی ارگانیسم های مانند موشک تشکیل می دهد· هیچ حامل کربن در لایه کاتالیتیک وجود ندارد؛ ضخامت لایه کاتالیزور NSTF کمتر از 1um است.

الکترود غشا سفارش شده بر اساس رسانای پروتون

عملکرد اصلی الکترود غشا به ترتیب هادی پروتون این است که مواد پلیمری نانوائر را برای ارتقاء حمل و نقل پروتون کارآمد در لایه کاتالیتیک معرفی کند.ساختارهای TiO2/Ti از آرایه های نانولوله TiO2 (TNTs) بر روی ورق های تیتانیوم آماده شدند، پس از آن در اتمسفر هیدروژن برای به دست آوردن H-TNTs گرم شدن. ذرات Pt Pd بر روی سطح H-TNTs با استفاده از روش های حساسیت و جابجایی SnCl2 آماده شد.در نتیجه یک سلول سوخت با چگالی قدرت بالا.

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 nanowiresآن ویژگی های زیر را دارد: Nafion nanorods در محل در غشای مبادله پروتون رشد می کنند، و مقاومت تماس رابط به صفر کاهش می یابد؛رسوب لایه کاتالیز کننده ذرات Pt بر روی نانوردهای Nafion، با هر دو عملکرد کاتالیتیک و الکترون رسانا؛ نانروید های Nafion دارای رسانایی پروتون سریع هستند.

الکترودهای غشا سفارش شده بدون شک جهت اصلی فناوری آماده سازی الکترود غشا نسل بعدی هستند. در حالی که بار عناصر گروه پلاتین را کاهش می دهد،پنج جنبه باید بیشتر مورد بررسی قرار گیرد: الکترود های غشا به ترتیب به ناخالصی ها بسیار حساس هستند؛ گسترش محدوده کاری الکترود های غشا از طریق بهینه سازی مواد، توصیف و مدل سازی؛معرفی نانوسازان رسانای پروتون سریع در لایه کاتالیزتوسعه فرآیند تولید انبوه با هزینه پایین مطالعه عمیق از تعاملات و اثرات همبستگی بین الکترود غشا، غشا مبادله پروتون، الکترو کاتالیزور،و لایه پخش گاز.

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

مزایای تکنولوژی آماده سازی الکترود غشا و روش اسپری فوق صوتی:

(۱) با بهینه سازی پارامترهای مانند قدرت و فرکانس نوزل فوق صوتی، خمیر کاتالیزور ذره ای می تواند بازپرداخت کوچکی داشته باشد و کمتر مستعد اسپری بیش از حد باشد.در نتیجه میزان استفاده از کاتالیزور بهبود می یابد.;

(2) میله ارتعاش فوق صوتی ذرات کاتالیزور را به شدت پراکنده می کند و تزریق کننده پراکندگی فوق صوتی اثر تکان دهنده ثانویه بر خمیر کاتالیزور دارد.کاهش احتمال آلودگی شیمیایی پلاتین و کاهش منطقه فعالیت واکنش;

(3) کار آسان، بسیار خودکار، مناسب برای تولید انبوه الکترود های غشا.