Tecnologia de Preparação de Eletrodos de Membrana por Pulverização Ultrassônica

O eletrodo de membrana é o componente central das células de combustível, que integra o transporte e as reações eletroquímicas de materiais heterogêneos, determinando diretamente o desempenho, a vida útil,e custo das células de combustível de membrana de troca de prótonsO elétrodo de membrana e as placas bipolares de ambos os lados formam uma única célula de combustível.e a combinação de várias células individuais pode formar uma pilha de células de combustível para atender a vários requisitos de potência de saídaO projeto e otimização da estrutura do MEA, seleção de materiais e otimização do processo de fabricação sempre foram o foco da pesquisa do PEMFC.A tecnologia de eletrodos de membrana passou por várias gerações de inovação, divididos principalmente em três tipos: método de prensagem a quente GDE, CCM três em um elétrodo de membrana e elétrodo de membrana ordenado.

1. GDE Electrodo de película prensada a quente

A tecnologia de preparação de MEA de primeira geração usou um método de prensagem a quente para comprimir os GDLs de cátodo e ânodo revestidos com CL em ambos os lados do PEM para obter MEA, conhecido como a estrutura "GDE".

O processo de preparação do GDE tipo MEA é de facto relativamente simples, graças ao facto de o catalisador ser uniformemente revestido no GDL.mas também protege inteligentemente PEM de deformaçãoNo entanto, este processo não é perfeito. Se a quantidade de catalisador revestido no GDL não puder ser controlada com precisão, a lama do catalisador pode penetrar no GDL,que resultam em alguns catalisadores não exercerem plenamente a sua eficiência, e a taxa de utilização pode até ser tão baixa quanto 20%, aumentando consideravelmente o custo de fabrico do MEA.

Devido à inconsistência entre o revestimento do catalisador no GDL e o sistema de expansão do PEM, a interface entre os dois é propensa à deslaminagem durante a operação a longo prazo.Isto não só leva a um aumento da resistência de contacto interno das células de combustívelO processo de preparação do MEA baseado na estrutura GDE foi basicamente eliminado,e poucas pessoas prestaram atenção a ele.

2. CCM Eletrodo de membrana três em um

A utilização de métodos tais como revestimento direto em rolos, serigrafia e revestimento por pulverização, uma lama composta de catalisador, Nafion,e o dispersante adequado é diretamente revestido em ambos os lados da membrana de troca de prótons para obter MEA.

Em comparação com o método de preparação MEA do tipo GDE, o tipo CCM apresenta um melhor desempenho, não é fácil de descascar e reduz a resistência de transferência entre a camada do catalisador e o PEM,que é benéfico para melhorar a difusão e movimento de prótons em prótonsO contacto e a transferência de prótons entre eles reduzem a resistência da transferência de prótons.A Comissão considera que a aplicação da legislação em matéria de segurança e segurança no trabalho não é suficiente para melhorar significativamente o desempenho do MEA.Além disso, devido à relativamente baixa carga Pt do tipo CCM MEA, a utilização de MEA não é necessária.O custo global do MEA é reduzido e a taxa de utilização é muito melhoradaA desvantagem do CCM tipo MEA é que é propenso a inundações de água durante o funcionamento das células de combustível.há menos canais de gás, e a resistência de transmissão do gás e da água é relativamente elevada.a espessura da camada do catalisador é geralmente não superior a 10 μm.

Devido ao seu excelente desempenho abrangente, o tipo CCM MEA foi comercializado no campo das células de combustível automotivas.O CCM tipo MEA desenvolvido pela Universidade de Tecnologia de Wuhan, na China, foi exportado para a Plug Power, nos Estados Unidos, para uso em empilhadeiras de célula de combustível.O CCM tipo MEA desenvolvido pela Dalian Xinyuan Power foi aplicado a caminhões, com uma capacidade de carga de metais preciosos baseada em platina tão baixa quanto 0,4 mgPt/cm2. A densidade de potência atinge 0,96W/cm2.Ao mesmo tempo, empresas e universidades como Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaia, Suzhou Qingdong, Shanghai Jiao Tong University,e o Instituto de Física Química de Dalian também estão a desenvolver MEAs de alto desempenho do tipo CCMEmpresas estrangeiras como Komu, Gore

3Ordenou um elétrodo de membrana.

A camada catalítica do tipo GDE MEA e do tipo CCM MEA é misturada com o catalisador e a solução de eletrólito para formar uma lama de catalisador, que é então revestida.A eficiência é muito baixa e há um fenómeno de polarização significativoO desenvolvimento de equipamentos de alta performance, de longa duração e de alta eficiência de produção de platina, que permitem a obtenção de uma carga de platina relativamente elevada, não é propício para a descarga de alta corrente de MEA.e de baixo custo MEA tornou-se um foco de atençãoA taxa de utilização de Pt do MEA encomendado é muito elevada, reduzindo efetivamente o custo do MEA, ao mesmo tempo em que se consegue um transporte eficiente de prótons, elétrons, gases, água e outras substâncias.Melhorando assim o desempenho global da PEMFC.

Os eletrodos de membrana ordenados incluem os eletrodos de membrana ordenados baseados em nanotubos de carbono, os eletrodos de membrana ordenados baseados em filmes finos de catalisador,de um diâmetro superior a 50 mm,.

Eletrodo de membrana ordenado baseado em nanotubos de carbono

As características de rede de grafite dos nanotubos de carbono são resistentes a altos potenciais, e sua interação e elasticidade com partículas Pt aumentam a atividade catalítica das partículas Pt.Na última década ou assim, foram desenvolvidos filmes finos baseados em nanotubos de carbono alinhados verticalmente (VACNTs).e eficiência de utilização Pt.

O VACNT pode ser dividido em dois tipos: um é o VACNT composto por nanotubos de carbono curvos e esparsos; outro tipo são os nanotubos de carbono ocos compostos por nanotubos de carbono retos e densos.

Eletrodo de membrana encomendado baseado em película fina de catalisador

A ordem dos filmes finos do catalisador refere-se principalmente às estruturas Pt nano ordenadas, tais como nanotubos Pt, nanofios Pt, etc. Entre eles, o representante do catalisador ordenado de eletrodo de membrana é NSTF,Comparado com os catalisadores tradicionais Pt/C, o NSTF possui quatro características principais: o portador do catalisador é um bigode orgânico ordenado;O catalisador forma uma película fina de liga à base de Pt em organismos semelhantes a bigodesNão há transportador de carbono na camada catalítica; a espessura da camada do catalisador NSTF é inferior a 1um.

Eletrodo de membrana ordenado baseado num condutor de prótons

A função principal do proton conductor ordenado de membrana de eletrodo é a introdução de nanowire materiais de polímero para promover o transporte eficiente de protões na camada catalítica.As estruturas TiO2/Ti de matrizes de nanotubos de TiO2 (TNTs) foram preparadas em chapas de titânio, seguido de recozimento numa atmosfera de hidrogénio para obter H-TNTs. As partículas Pt Pd foram preparadas na superfície de H-TNTs utilizando métodos de sensibilização e deslocamento SnCl2,que resulte numa célula de combustível de alta densidade de potência.

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 nanowires• tem as seguintes características: os nanorodos de Nafion são cultivados in situ em membranas de intercâmbio de prótons e a resistência de contacto da interface é reduzida a zero;Deposição da camada catalítica de partículas Pt em nanorodos de Nafion, com funções catalíticas e de condução de elétrons; os nanorodos Nafion têm condutividade rápida de prótons.

Os electrodos de membrana ordenados são, sem dúvida, a principal direcção da tecnologia de preparação de electrodos de membrana da próxima geração.Cinco aspectos precisam de ser considerados: os eletrodos de membrana ordenados são altamente sensíveis às impurezas; expandir a faixa de trabalho dos eletrodos de membrana através da otimização, caracterização e modelagem de materiais;Introdução de nanoestruturas de condutores rápidos de prótons na camada catalítica• desenvolvimento de processos de produção em massa de baixo custo; • estudo aprofundado das interações e efeitos sinérgicos entre membrana electródica, membrana de troca de prótons, eletrocatalisador,e camada de difusão de gás.

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Vantagens da tecnologia de preparação de elétrodos de membrana e do método de pulverização por ultra-som:

(1) Através da otimização de parâmetros tais como a potência e a frequência do bico ultrasónico, a lama do catalisador atomizada pode ter um pequeno rebote e ser menos propensa a overspray,Melhorando assim a taxa de utilização do catalisador;

(2) A haste de vibração ultra-sônica dispersa fortemente as partículas do catalisador e o injetor de dispersão ultra-sônica tem um efeito secundário de agitação sobre a lama do catalisador.reduzindo consideravelmente a probabilidade de poluição química pela platina e reduzindo a área de atividade de reação;

(3) Fácil de operar, altamente automatizado, adequado para a produção em massa de eletrodos de membrana.