Ultraschall-Sprühbeschichtungstechnologie zur Herstellung von Membranelektroden

Die Membranelektrode ist der Kernbestandteil von Brennstoffzellen, der den Transport und die elektrochemischen Reaktionen heterogener Materialien integriert und die Leistung, Lebensdauer,und Kosten für ProtonenaustauschmembranbrennstoffzellenDie Membranelektrode und die auf beiden Seiten befindlichen bipolaren Platten bilden zusammen eine einzige Brennstoffzelle.und die Kombination mehrerer Einzelzellen kann einen Brennstoffzellstapel bilden, um verschiedene Leistungsaufwandanforderungen zu erfüllenDie Konstruktion und Optimierung der MEA-Struktur, die Materialauswahl und die Optimierung des Herstellungsprozesses standen immer im Mittelpunkt der PEMFC-Forschung.Die Membranelektrodentechnologie hat mehrere Generationen der Innovation durchlaufen, hauptsächlich in drei Typen unterteilt: GDE-Hotpressmethode, CCM-Drei-in-eine-Membranelektrode und bestellte Membranelektrode.

1. GDE Heißgepresste Filmelektrode

Bei der ersten Generation der MEA-Bereitstellungstechnologie wurde mit einer Warmpressmethode die auf beiden Seiten von PEM mit CL beschichteten Kathoden- und Anoden-GDLs komprimiert, um eine MEA-Struktur zu erhalten, die als "GDE" bezeichnet wird.

Der Vorbereitungsprozess von GDE-Typ MEA ist in der Tat relativ einfach, da der Katalysator gleichmäßig auf dem GDL beschichtet ist.aber auch geschickt schützt PEM vor VerformungenWenn die Menge des auf dem GDL beschichteten Katalysators nicht präzise kontrolliert werden kann, kann der Katalysatorschlauch in den GDL eindringen,Einige Katalysatoren werden dadurch nicht vollständig wirksam., und die Auslastungsrate kann sogar bis zu 20% betragen, was die Herstellungskosten von MEA erheblich erhöht.

Aufgrund der Inkonsistenz zwischen der Katalysatorbeschichtung auf GDL und dem Expansionssystem von PEM ist die Schnittstelle zwischen den beiden während des langfristigen Betriebs anfällig für Delamination.Dies führt nicht nur zu einer Erhöhung des internen Kontaktwiderstands der BrennstoffzellenDer auf der GDE-Struktur basierende Vorbereitungsprozess für MEA wurde grundsätzlich beseitigt.Und nur wenige Menschen haben darauf geachtet..

2. CCM-Drei-in-einer-Membranelektrode

Durch die Verwendung von Verfahren wie Roll-to-Roll-Direktbeschichtung, Siebdruck und Sprühbeschichtung wird ein Schlamm aus Katalysator Nafion,und geeignetes Dispergierungsmittel wird direkt auf beiden Seiten der Protonenaustauschmembran beschichtet, um MEA zu erhalten.

Verglichen mit der MEA-Bereitschaftsmethode des GDE-Types hat die CCM-Methode eine bessere Leistung, ist nicht leicht abzuschälen und reduziert den Übertragungswiderstand zwischen der Katalysatorschicht und dem PEM.der für die Verbesserung der Diffusion und Bewegung von Protonen in Protonen vorteilhaft ist. Katalysatorschicht, wodurch die katalytische Schicht und PEM gefördert werden.Damit wird die Leistung des MEA erheblich verbessert.Die Forschung über MEA hat sich von GDE-Typ auf CCM-Typ verlagert.Die Gesamtkosten von MEA werden reduziert und die Auslastungsrate erheblich verbessert.Der Nachteil von CCM-Typ MEA besteht darin, dass es während des Betriebs von Brennstoffzellen anfällig für Wasserüberschwemmungen ist.es gibt weniger Gaskanäle, und der Übertragungswiderstand von Gas und Wasser ist relativ hoch.die Dicke der Katalysatorschicht beträgt im Allgemeinen nicht mehr als 10 μm.

Aufgrund seiner hervorragenden Gesamtleistung wurde der CCM-Typ MEA im Bereich der Fahrzeugbrennstoffzellen vermarktet.Der von der Wuhan University of Technology in China entwickelte CCM-Typ MEA wurde für die Verwendung in Brennstoffzellen-Gabelstaplern an Plug Power in den Vereinigten Staaten exportiert.Die von der Dalian Xinyuan Power entwickelte CCM-Typ-MEA wurde auf Lkw mit einer Platin-basierten Edelmetalllastkapazität von nur 0,4 mgPt/cm2 angewendet.Gleichzeitig, Unternehmen und Universitäten wie Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Shanghai Jiao Tong University,Das Dalian Institute of Chemical Physics entwickelt ebenfalls Hochleistungs-MEA des CCM-Typs.Ausländische Unternehmen wie Komu, Gore

3- Bestellte Membranelektrode.

Die Katalysationsschicht von GDE-MEA und CCM-MEA wird mit Katalysator und Elektrolytlösung vermischt, um eine Katalysator-Schlamm zu bilden, die dann beschichtet wird.Die Effizienz ist sehr gering und es gibt ein erhebliches PolarisierungsphänomenDie Entwicklung von Hochleistungs-, Langlebigkeits- undund kostengünstigen MEA wurde in den Mittelpunkt der AufmerksamkeitDie Pt-Verwendungsrate der bestellten MEA ist sehr hoch, wodurch die Kosten der MEA effektiv reduziert werden, während gleichzeitig ein effizienter Transport von Protonen, Elektronen, Gasen, Wasser und anderen Substanzen erreicht wird.Auf diese Weise wird die Gesamtleistung der PEMFC verbessert..

Zu den bestellten Membranelektroden gehören bestellte Membranelektroden auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren, bestellte Membranelektroden auf Basis von dünnen Katalysatorfolien,mit einer Leistung von mehr als 50 W und einer Leistung von mehr als 50 W,.

Kohlenstoffnanoröhrchenbasierte, geordnete Membranelektrode

Die Eigenschaften des Graphitgitters von Kohlenstoffnanoröhren widerstehen hohen Potentialen, und ihre Wechselwirkung und Elastizität mit Pt-Teilchen erhöhen die katalytische Aktivität von Pt-Teilchen.In den letzten zehn Jahren, dünne Filme auf Basis vertikal ausgerichteter Kohlenstoffnanoröhren (VACNTs) entwickelt wurden.und Pt Auslastungseffizienz.

VACNT kann in zwei Arten unterteilt werden: Eine ist VACNT, das aus gekrümmten und spärlichen Kohlenstoffnanoröhren besteht; eine andere Art sind hohle Kohlenstoffnanoröhren, die aus geraden und dichten Kohlenstoffnanoröhren bestehen.

Bestellte Membranelektrode auf der Grundlage von Katalysator-Dünnfolie

Die Reihenfolge der Katalysator dünnen Filme bezieht sich hauptsächlich auf Pt nano geordnete Strukturen, wie Pt Nanoröhren, Pt Nanowires, etc. Unter ihnen ist der Vertreter der Katalysator geordnete Membran Elektrode NSTF,Im Vergleich zu herkömmlichen Pt/C-Katalysatoren weist NSTF vier Hauptmerkmale auf: Der Katalysatorträger ist ein geordneter organischer Schnurrbart;Der Katalysator bildet eine Pt-basierte Legierung dünne Folien auf Schnurrbart-ähnliche Organismen; Es gibt keinen Kohlenstoffträger in der katalytischen Schicht; Die Dicke der NSTF-Katalysatorschicht liegt unter 1um.

Bestellte Membranelektrode auf Basis eines Protonleiters

Die Hauptfunktion der Proton-Leiter-geordnete Membranelektrode ist die Einführung von Nanodraht-Polymermaterialien, um einen effizienten Protonentransport in der katalytischen Schicht zu fördern.TiO2/Ti-Strukturen von TiO2-Nanoröhrenarrays (TNTs) wurden auf Titanblechen hergestellt, anschließend in einer Wasserstoffatmosphäre gegießt, um H-TNTs zu erhalten.mit einer Leistungsdichte von mehr als 50 W.

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 nanowiresEs weist folgende Merkmale auf: Nafion-Nanoroden werden in situ auf Protonenaustauschmembranen angebaut und der Schnittstellenkontaktwiderstand wird auf Null reduziert;Ablagerung der Pt-Partikelkatalysationsschicht auf Nafion-Nanoroden, mit sowohl katalytischen als auch elektronenleitenden Funktionen; Nafion-Nanoroden haben eine schnelle Protonenleitfähigkeit.

Bei der Vorbereitung von Membranelektroden der nächsten Generation wird zweifellos auf die geordnete Membranelektrode geachtet, wobei gleichzeitig die Belastung der Platingruppelemente reduziert wird.Fünf Aspekte müssen weiter geprüft werden:: geordnete Membranelektroden sind sehr empfindlich auf Verunreinigungen; Erweitern Sie den Arbeitsbereich von Membranelektroden durch Materialoptimierung, Charakterisierung und Modellierung;Einführung von schnellen Protonleiternanostrukturen in die katalytische Schicht■ Entwicklung kostengünstiger Massenproduktionsprozesse; • eingehende Untersuchung der Wechselwirkungen und Synergieeffekte zwischen Membranelektroden, Protonenaustauschmembranen, Elektrokatalysatoren,und Gasdiffusionsschicht.

Die Anwendungsbereiche sind folgende:

Vorteile der Membranelektrodenvorbereitungstechnologie und der Ultraschallsprühmethode:

(1) Durch die Optimierung von Parametern wie Ultraschall-Düsenleistung und -Frequenz kann die atomisierte Katalysatorschlamme einen geringen Rückschlag aufweisen und weniger anfällig für Übersprühen sein.Auf diese Weise wird die Auslastung des Katalysators verbessert.;

(2) Die Ultraschallschwingungsstange dispergiert die Katalysatorpartikel stark, und der Ultraschalldispersionsinjektor wirkt sekundär auf den Katalysatorschlauch.die Wahrscheinlichkeit einer chemischen Platinverschmutzung und die Verringerung der Reaktionsfläche erheblich reduzieren;

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