Ultraschall-Sprühbeschichtungstechnologie zur Herstellung von Membranelektroden

Die Membranelektrode ist die Kernkomponente von Brennstoffzellen, die den Transport und die elektrochemischen Reaktionen heterogener Materialien integriert und direkt die Leistung, Lebensdauer und Kosten von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen bestimmt. Die Membranelektrode und die Bipolarplatten auf beiden Seiten bilden zusammen eine einzelne Brennstoffzelle, und die Kombination mehrerer Einzelzellen kann einen Brennstoffzellenstapel bilden, um verschiedene Leistungsanforderungen zu erfüllen. Das Design und die Optimierung der MEA-Struktur, die Materialauswahl und die Optimierung des Herstellungsprozesses waren schon immer der Schwerpunkt der PEMFC-Forschung. Im Entwicklungsprozess von PEMFC hat die Membranelektrodentechnologie mehrere Innovationsgenerationen durchlaufen, die hauptsächlich in drei Typen unterteilt werden: GDE-Heißpressverfahren, CCM-Drei-in-Eins-Membranelektrode und geordnete Membranelektrode.

1. GDE-Heißpressfilm-Elektrode

Die erste Generation der MEA-Herstellungstechnologie verwendete ein Heißpressverfahren, um die mit CL beschichteten Kathoden- und Anoden-GDLs auf beiden Seiten der PEM zu komprimieren, um MEA zu erhalten, bekannt als "GDE"-Struktur.

Der Herstellungsprozess der GDE-MEA ist in der Tat relativ einfach, da der Katalysator gleichmäßig auf dem GDL beschichtet wird. Dieses Design erleichtert nicht nur die Bildung von Poren in der MEA, sondern schützt auch auf clevere Weise die PEM vor Verformungen. Dieser Prozess ist jedoch nicht fehlerfrei. Wenn die Menge des auf dem GDL beschichteten Katalysators nicht präzise kontrolliert werden kann, kann die Katalysatorsuspension in das GDL eindringen, was dazu führt, dass einige Katalysatoren ihre Effizienz nicht vollständig entfalten, und die Ausnutzungsrate kann sogar nur 20 % betragen, was die Herstellungskosten der MEA erheblich erhöht.

Aufgrund der Inkonsistenz zwischen der Katalysatorbeschichtung auf dem GDL und dem Expansionssystem der PEM ist die Grenzfläche zwischen den beiden während des Langzeitbetriebs anfällig für Delamination. Dies führt nicht nur zu einer Erhöhung des inneren Kontaktwiderstands von Brennstoffzellen, sondern verringert auch die Gesamtleistung der MEA erheblich, weit entfernt vom Erreichen des idealen Niveaus. Der Herstellungsprozess der MEA auf Basis der GDE-Struktur wurde im Wesentlichen eliminiert, und nur wenige Leute haben ihm Aufmerksamkeit geschenkt.

2. CCM-Drei-in-Eins-Membranelektrode

Durch die Verwendung von Verfahren wie Rolle-zu-Rolle-Direktbeschichtung, Siebdruck und Sprühbeschichtung wird eine Suspension, die aus Katalysator, Nafion und einem geeigneten Dispergiermittel besteht, direkt auf beiden Seiten der Protonenaustauschmembran beschichtet, um MEA zu erhalten.

Im Vergleich zum GDE-MEA-Herstellungsverfahren hat der CCM-Typ eine bessere Leistung, ist nicht leicht abzulösen und reduziert den Transferwiderstand zwischen der Katalysatorschicht und der PEM, was für die Verbesserung der Diffusion und Bewegung von Protonen in Protonen von Vorteil ist. Katalysatorschicht, wodurch die katalytische Schicht und die PEM gefördert werden. Der Kontakt und die Übertragung von Protonen zwischen ihnen verringern den Widerstand der Protonenübertragung und verbessern dadurch die Leistung der MEA erheblich. Die Forschung an MEA hat sich vom GDE-Typ zum CCM-Typ verlagert. Darüber hinaus werden aufgrund der relativ geringen Pt-Beladung des CCM-Typs MEA die Gesamtkosten der MEA gesenkt und die Ausnutzungsrate erheblich verbessert. Der Nachteil des CCM-Typs MEA ist, dass er während des Betriebs von Brennstoffzellen anfällig für Wasseransammlungen ist. Der Hauptgrund ist, dass es kein hydrophobes Mittel in der MEA-Katalysatorschicht gibt, es weniger Gaskanäle gibt und der Übertragungswiderstand von Gas und Wasser relativ hoch ist. Um den Übertragungswiderstand von Gas und Wasser zu verringern, ist die Dicke der Katalysatorschicht im Allgemeinen nicht größer als 10 μm.

Aufgrund ihrer hervorragenden Gesamtleistung wurde die CCM-MEA im Bereich der Automobil-Brennstoffzellen kommerzialisiert. Zum Beispiel Toyota Mirai, Honda Clarity usw. Die von der Wuhan University of Technology in China entwickelte CCM-MEA wurde an Plug Power in den Vereinigten Staaten für den Einsatz in Brennstoffzellen-Gabelstaplern exportiert. Die von Dalian Xinyuan Power entwickelte CCM-MEA wurde auf Lastwagen angewendet, mit einer auf Platin basierenden Edelmetallbeladung von nur 0,4 mgPt/cm2. Die Leistungsdichte erreicht 0,96 W/cm2. Gleichzeitig entwickeln Unternehmen und Universitäten wie Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Shanghai Jiao Tong University und Dalian Institute of Chemical Physics ebenfalls Hochleistungs-CCM-MEAs. Ausländische Unternehmen wie Komu, Gore

3. Geordnete Membranelektrode

Die Katalysatorschicht der GDE-MEA und der CCM-MEA wird mit Katalysator und Elektrolytlösung gemischt, um eine Katalysatorsuspension zu bilden, die dann beschichtet wird. Die Effizienz ist sehr gering und es gibt ein signifikantes Polarisationsphänomen, das der Hochstromentladung der MEA nicht förderlich ist. Darüber hinaus ist die Platinbeladung in der MEA relativ hoch. Die Entwicklung von Hochleistungs-, langlebigen und kostengünstigen MEAs ist zu einem Schwerpunkt der Aufmerksamkeit geworden. Die Pt-Ausnutzungsrate der geordneten MEA ist sehr hoch, wodurch die Kosten der MEA effektiv gesenkt werden, während ein effizienter Transport von Protonen, Elektronen, Gasen, Wasser und anderen Substanzen erreicht wird, wodurch die Gesamtleistung von PEMFC verbessert wird.

Geordnete Membranelektroden umfassen geordnete Membranelektroden auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren, geordnete Membranelektroden auf Basis von Katalysator-Dünnschichten und geordnete Membranelektroden auf Basis von Protonenleitern.

Geordnete Membranelektrode auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren

Die Graphitgittereigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren sind beständig gegen hohe Potentiale, und ihre Wechselwirkung und Elastizität mit Pt-Partikeln verbessern die katalytische Aktivität von Pt-Partikeln. In den letzten zehn Jahren wurden Dünnschichten auf Basis von vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren (VACNTs) entwickelt. Elektrode. Der vertikale Anordnungsmechanismus verbessert die Gasdiffusionsschicht, die Entwässerungskapazität und die Pt-Ausnutzungseffizienz.

VACNT kann in zwei Typen unterteilt werden: Der eine ist VACNT, der aus gekrümmten und spärlichen Kohlenstoffnanoröhren besteht; Ein anderer Typ sind hohle Kohlenstoffnanoröhren, die aus geraden und dichten Kohlenstoffnanoröhren bestehen.

Geordnete Membranelektrode auf Basis von Katalysator-Dünnschicht

Die Ordnung von Katalysator-Dünnschichten bezieht sich hauptsächlich auf Pt-Nano-geordnete Strukturen, wie z. B. Pt-Nanoröhren, Pt-Nanodrähte usw. Unter ihnen ist der Vertreter der Katalysator-geordneten Membranelektrode NSTF, ein kommerzielles Produkt der 3M Company. Im Vergleich zu herkömmlichen Pt/C-Katalysatoren weist NSTF vier Hauptmerkmale auf: Der Katalysatorträger ist ein geordneter organischer Whisker; Der Katalysator bildet eine Pt-basierte Legierungsdünnschicht auf whiskerartigen Organismen; Es gibt keinen Kohlenstoffträger in der katalytischen Schicht; Die Dicke der NSTF-Katalysatorschicht liegt unter 1 um.

Geordnete Membranelektrode auf Basis von Protonenleiter

Die Hauptfunktion der geordneten Membranelektrode des Protonenleiters besteht darin, Nanodraht-Polymermaterialien einzuführen, um einen effizienten Protonentransport in der katalytischen Schicht zu fördern. Yu und andere. TiO2/Ti-Strukturen von TiO2-Nanoröhrenarrays (TNTs) wurden auf Titanblechen hergestellt, gefolgt von einem Glühen in einer Wasserstoffatmosphäre, um H-TNTs zu erhalten. Pt Pd-Partikel wurden auf der Oberfläche von H-TNTs unter Verwendung von SnCl2-Sensibilisierungs- und Verdrängungsmethoden hergestellt, was zu einer Brennstoffzelle mit hoher Leistungsdichte führte.

Das Institut für Nuklearwissenschaften und die Abteilung für Fahrzeugtechnik der Tsinghua-Universität haben erstmals eine neuartige geordnete Katalysatorschicht auf der Grundlage der schnellen Protonenleitungsfunktion von Nafion-Nanodrähten synthetisiert. Es hat folgende Eigenschaften: Nafion-Nanostäbchen werden in situ auf Protonenaustauschmembranen gezüchtet, und der Grenzflächenkontaktwiderstand wird auf Null reduziert; Abscheidung einer Pt-Partikel-Katalysatorschicht auf Nafion-Nanostäbchen, mit sowohl katalytischen als auch elektronenleitenden Funktionen; Nafion-Nanostäbchen haben eine schnelle Protonenleitfähigkeit.

Geordnete Membranelektroden sind zweifellos die Hauptrichtung der Membranelektroden-Herstellungstechnologie der nächsten Generation. Während die Beladung mit Elementen der Platingruppe reduziert wird, müssen fünf Aspekte weiter berücksichtigt werden: Geordnete Membranelektroden sind hochsensibel gegenüber Verunreinigungen; Erweitern Sie den Arbeitsbereich der Membranelektroden durch Materialoptimierung, Charakterisierung und Modellierung; Einführung von schnellen Protonenleiter-Nanostrukturen in die katalytische Schicht; Entwicklung eines kostengünstigen Massenproduktionsprozesses; Eingehende Untersuchung der Wechselwirkungen und synergistischen Effekte zwischen Membranelektroden-Protonenaustauschmembran, Elektro-Katalysator und Gasdiffusionsschicht.

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

Vorteile der Membranelektroden-Herstellungstechnologie und der Ultraschall-Sprühverfahren:

(1) Durch die Optimierung von Parametern wie Ultraschall-Düsenleistung und -frequenz kann die zerstäubte Katalysatorsuspension einen geringen Rückprall aufweisen und weniger zum Übersprühen neigen, wodurch die Ausnutzungsrate des Katalysators verbessert wird;

(2) Der Ultraschall-Vibrationsstab dispergiert die Katalysatorpartikel stark, und der Ultraschall-Dispersionsinjektor hat eine sekundäre Rührwirkung auf die Katalysatorsuspension, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer chemischen Platinverschmutzung und einer verringerten Reaktionsaktivitätsfläche erheblich reduziert wird;

(3) Einfach zu bedienen, hochautomatisiert, geeignet für die Massenproduktion von Membranelektroden.