ניתוח של טכנולוגיית נייר פחמן בדיפוזיה של תאי דלק מימן

בעיקרון, תא דלק הוא מכשיר הממיר ישירות אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית. זה לא דורש טעינה נוספת. כל עוד הדלק והמחמצן מתמלאים ברציפות, הוא יכול להמשיך לפעול ולייצר חשמל. הדלק והמחמצן המוספים אינם עוברים תגובת בעירה, אלא תגובה אלקטרוכימית בין הדלק והמחמצן ליצירת זרם חשמלי.

לכן, תגובה אלקטרוכימית כזו מלווה בהעברת מטען עקב תגובות כימיות. אלקטרונים ויונים משלימים את העברת המטען דרך נתיבי תגובה שונים. במהלך תהליך התגובה של תא הדלק, לא ניתן לערבב את הדלק והמחמצן, אלא להיכנס לתא הדלק בנפרד, ולהגיב בנפרד באנודה ובקתודה של הסוללה.

הדלק מייצר אלקטרונים לאחר תגובה אלקטרוכימית. האלקטרונים זורמים אל האלקטרודה השנייה דרך האלקטרודה והמעגל החיצוני כדי להגיב עם המחמצן. לאחר שהמחמצן מקבל את האלקטרונים, הוא מגיב ומוליך יונים דרך האלקטרוליט שבסוללה, ויוצר מעגל לפעולת אלקטרונים.

יחידת הליבה של תא דלק כללי מורכבת משלושה מרכיבים בסיסיים: אנודה, קתודה והאלקטרוליט בין שתי האלקטרודות. בדרך כלל מימן משמש כדלק וחמצן משמש כמחמצן. הדלק מתחמצן באנודה והחמצן מופחת בקתודה. תאי דלק מורכבים מיחידות ליבה כאלה המחוברות בטור ליצירת מארז סוללות גדול יותר, או שנקרא ערימת סוללות.

באופן כללי, המחמצן יכול להיות חמצן באוויר, ויוני המימן והאלקטרונים המשמשים כדלק מגיעים מהאנודה, והאלקטרוליט מוליך יוני מימן. לאחר ייצור יוני מימן באנודה, הם מגיעים לקתודה דרך האלקטרוליט. לאחר הפקת אלקטרונים באנודה, הם נכנסים לפריטים החשמליים המשמשים דרך המעגל שמחוץ לסוללה, ואז חוזרים לקתודה של הסוללה דרך הקצה השני של המעגל החשמלי. כאשר אלקטרונים זורמים דרך המכשיר החשמלי הטעון, המכשיר החשמלי יכול לפעול, כגון ייצור חשמל, מכוניות, מטוסים ותפעול מנוע.

בין האנודה לקתודה יש ​​אלקטרוליט שניתן להשתמש בו להולכת יונים. באופן כללי, ניתן לסווג תאי דלק לתאי דלק אלקליים, תאי דלק חומצה זרחתית, תאי דלק מלח מותך קרבונט, תאי דלק תחמוצת מוצק, תאי דלק ממברנת חילופי פרוטונים ותאי דלק ישירים עקב יונים שונים המוליכים באלקטרוליט או טמפרטורות הפעלה שונות. . שישה סוגים כולל תאי דלק מתנול.

קצב התגובה האלקטרוכימית של הדלק והמחמצן בתא הדלק הוא נמוך מאוד ויש להאיץ אותו באמצעות זרז, ולכן נדרשים זרז אנודה וקתודה. אם ניקח כדוגמה תאי דלק אלקטרוליטים פולימריים, מנגנון ייצור החשמל העיקרי מגיע ממכלול האלקטרודות הממברנה (MEA), אשר נקרא לעתים קרובות הלב של תא הדלק. בעיקרון, לקבוצת ממברנות האלקטרודות יש מבנה של חמש שכבות, עם קרום פולימרי שמוליך יוני מימן במרכז, שכבת זרז האנודה ושכבת הזרז הקתודה משני הצדדים, ושכבת דיפוזיית הגז החיצונית ביותר (לרוב מחולקת לשכבת דיפוזיה של גז דלק). ושכבת דיפוזיה של חמצן).

המבנה של שכבת הזרז מורכב ומגוון למדי. מכיוון שהשינויים האלקטרוכימיים החשובים ביותר מתרחשים כאן, אם שכבת הזרז מתוכננת או מיוצרת בצורה גרועה, תא הדלק לא יוכל לייצר מספיק זרם והיעילות תפחת. שכבת הזרז ממוקמת בין קרום הפולימר לשכבת דיפוזיית הגז. שיטת הייצור היא ערבוב אחיד של כמות מתאימה של זרז ותמיסת ממברנת הפולימר. תמיסה מעורבת זו נקראת תמיסת זרז. ניתן לצפות את התרחיץ המעורב על שכבת דיפוזיית הגז או על ממברנת הפולימר. עם זאת, קרום הפולימר סופג בקלות את הממס בתמיסה המעורבת ומתעוות, מה שגורם לעיתים קרובות לקשיי ייצור.

כעת השתמש בשכבת זרז החמצן כדי להמחיש כיצד התגובה ממשיכה. כאשר חמצן חודר לתא הדלק, תחילה יש לפזר אותו על מנת להגיע לשכבת הזרז באופן שווה. בדרך כלל, החומר המהווה את שכבת דיפוזיית הגז הוא בד פחמן או נייר פחמן, אשר חייב לעבור גרפיט בטמפרטורה גבוהה כדי להפוך אותו למוביל ולהגביר את עמידות בפני קורוזיה. , כי חומרי פחמן נפגעים בקלות בהשפעת שדות חשמליים.

יתר על כן, שכבת דיפוזיית הגז חייבת להיות גם הידרופוביה. אם מוסיפים לשכבת דיפוזיית הגז פולי-טטרפלואורואתילן (PTFE, הידוע גם בשם טפלון, בשל התכונות ההידרופוביות של הטפלון, אדי המים הנכנסים ויוצאים מקבוצת ממברנות האלקטרודות לא יפעלו. עיבוי בשכבת דיפוזיית הגז יכול למנוע את טיפות המים המעובות מגרימת חסימה של שכבת דיפוזיית הגז. מצד שני, הטפלון מתפקד גם כקלסר. בשל היציבות של מבנה הפלואורו-פחמן שלו, הוא לא יפורק עקב התקפה של רדיקלים חופשיים הנוצרים בפעולה פוטנציאלית.

גז התגובה מגיע לשכבת הזרז לאחר שעבר דרך שכבת הדיפוזיה של הגז, ומתרחשות תגובות אלקטרוכימיות על פני המתכת הזרז. תפקיד נוסף של שכבת דיפוזיית הגז הוא הולכת אלקטרונים. האלקטרונים הנדרשים לתגובה משתמשים בשכבת דיפוזיית הגז כדי להיכנס ולצאת, ולכן שכבת דיפוזיית הגז חייבת להיות מסוגלת להוליך אלקטרונים ובעלת מוליכות גבוהה. ככלל, לאחר הוספת טפלון לשכבת דיפוזיית הגז, המוליכות תפחת, ולכן יש להוסיף אבקת פחמן עם מוליכות גבוהה כדי להגביר את המוליכות.

משטח הזרז חייב להיות במגע עם האלקטרוליט (כלומר, קרום מוליך פרוטון) מכיוון שהתגובה האלקטרוכימית מתרחשת בממשק בין השניים. יוני המימן הנדרשים לתגובה מועברים כולם על ידי האלקטרוליט, כך שמגע לקוי בין הזרז לאלקטרוליט ישפיע לרעה על התקדמות התגובה. אם הזרז אינו במגע עם האלקטרוליט, תפקידו ייעלם. האלקטרונים הנדרשים לתגובה כולם נכנסים ויוצאים דרך הזרז. עם זאת, מוליכות לקויה של הזרז עצמו או מגע לקוי בין חלקיקי הזרז יגרמו גם הם להתנגדות לכניסה ויציאה של אלקטרונים. הגורמים לעיל כולם גורמים לעלייה בהתנגדות בתוך קבוצת ממברנות האלקטרודות ומפחיתים את תפוקת הכוח של הסוללה.

בשימוש בתאי דלק, זרזי אלקטרודה חייבים בדרך כלל להיות בעלי פעילות קטליטית גבוהה, מוליכות גבוהה, יציבות אלקטרוכימית גבוהה, עמידות בפני חמצון או הפחתה, מחיר נמוך ומקורות רבים. פלטינה היא יקרה ויש להשתמש בה כמה שפחות. עם זאת, מעט מדי ישפיע גם על התקדמות התגובה. חומרי זרז חלופיים הם גם אחד ממוקדי המחקר והפיתוח הנוכחיים. זרז אלקטרודה הוא החומר הפונקציונלי החשוב ביותר במבנה ממברנת האלקטרודה, ותפקידו העיקרי הוא לזרז את התגובה האלקטרוכימית.

באנודה, מולקולות מימן מתחמצנות לאלקטרונים ופרוטונים. אם מתנול מוזן ישירות, התגובה תהיה מסובכת יותר והיא חייבת להיות מורכבת מזרז אלקטרודה שלא יתפוס על ידי התוצרים הנספגים בחוזקה של תגובת החמצון של המתנול על פני התגובה, כגון סגסוגות ותחמוצות כדי לזרז מתנול באופן רציף. ומולקולות מים לייצור אלקטרונים, פרוטונים ופחמן דו חמצני.

הקתודה דורשת זרז שיכול להפחית חמצן. קומפלקסים מקרוציקליים של מתכת שיכולים לספוג מולקולות חמצן משמשים בדרך כלל כזרזי אלקטרודה. ספיחת פני השטח של מולקולות חמצן היא התנאי הקטליטי לתגובה האלקטרוכימית להפחתת החמצן. הזרז צריך מקשר פולימרי שייקשר בשכבת הזרז. קלסר זה יכול להיות גם אלקטרוליט פולימרי, אשר לא רק בעל תפקיד של קשר בין הזרז, אלא הוא גם דרך להעביר יוני מימן. אם לוקחים את קתודית החמצן כדוגמה, כאשר התגובה ממשיכה על פני הזרז, נדרשת נוכחות של חמצן. חמצן זה אינו גז, אלא חמצן המומס באלקטרוליט, ויוני המימן מגיעים גם אל פני הזרז דרך האלקטרוליט, והאלקטרונים מגיעים אל פני הזרז דרך המגע בין שכבת הדיפוזיה של הגז לשכבת הזרז. ביניהם, חמצן מומס, יוני מימן ואלקטרונים הם הכרחיים, והתגובה לא יכולה להתקדם בלי אחד מהם.

מצד שני, המים המופקים מהתגובה אינם יכולים להישאר על פני הזרז. יש להסיר מיד את המים שנוצרו כדי לפנות מקום למגיבים להתיישב שוב על פני הזרז. גם יציאת התוצרים היא אחד הגורמים המשפיעים על מהירות התגובה. אֶחָד. התוצר של תא הדלק הוא מים, כך כיצד להסיר במהירות מים מתא הדלק הוא נושא חשוב.

עבור תאי דלק אלקטרוליטים פולימריים המשתמשים במימן כהזנה, הליבה של פעולת תאי דלק טובה דורשת קיום של ארבעה נתיבים, כלומר תעלות יוני מימן, תעלות חמצן מומס, תעלות אלקטרונים ותעלות מים. אם נתיבים אלה אינם יעילים, הם יגרמו להפחתת יעילות ייצור החשמל. לכן, ייצור ערימות ממברנות אלקטרודות הוא עדיין תהליך טכני. לכל יצרן ערימת תאי דלק יש שיטת ייצור ייחודית משלו לייצור רכיב מפתח זה.

הספק של תא דלק נקבע על פי גודל קבוצת ממברנות האלקטרודות ומספר קבוצות ממברנות האלקטרודות בחבילת הסוללות. ערימת ממברנת האלקטרודות היא יחידת הליבה של תא הדלק האלקטרוליט הפולימרי ומרכיב מפתח בביצועי הכוח של ערימת תאי הדלק. עם תכנון שדה זרימה מתאים, ניהול מים ותנאי תפעול של ניהול תרמי, ניתן ליצור תאי דלק למטרות שונות.

חומר הבסיס של מבנה שכבת דיפוזיית הגז של תא הדלק של קרום החלפת פרוטונים הוא בדרך כלל מוצרי סיבי פחמן (פחמן-סיבי), כגון נייר פחמן (נייר פחמן) וסיבים ארוגים (סיבים ארוגים) או הנקראים בד פחמן (בד פחמן), שימוש בסיבי פחמן כגז היתרון של חומר שכבת הדיפוזיה הוא במבנה הנקבובי הגבוה שלו ובמוליכות חשמלית גבוהה.

מבנה שכבת הדיפוזיה של גז תאי הדלק הנפוץ ביותר הוא נייר סיבי פחמן. התהליך נקרא בדרך כלל תהליך ייצור הנייר. במהלך התהליך יש לשפר גם את תכונות חומר הגלם, המוליכות והיציבות הכימית של נייר הפחמן. השיטה היא להשתמש בנייר סיבי פחמן כבסיס, להוסיף חומרים מרוכבים מפחמן, לערבב ולטפל בחום. בתהליך ניתן להוסיף גם חומרי גלם ביניים מתאימים ולפתח את אותו נייר קרבון עם המאפיינים בהם נעשה שימוש.

לפני שלב ייצור הנייר של נייר פחמן, יש לחתוך את סיבי הנימה הרציפים למקטעי סיבים קצרים בין 3 ~ 12 מ"מ. התהליך לאחר יצירת מקטעי הסיבים הקצרים מתחלק ל- 1. ייצור נייר, 2. הספגה בשרף מרוכב, 3. יצירת לחיצה בחום, 4. טיפול פחם ו- 5. טיפול גרפיטיזציה.

יצרני נייר פחמן שניתן להשתמש בהם כיום בשכבות דיפוזיה של גז תאי דלק כוללים את TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy וחברות אחרות. שיטת הייצור הכללית של שכבה מיקרו-נקבבית (MPL) היא תחילה להשתמש במתנד קולי כדי לערבב ולערבב את הרכיבים הללו, ולבסוף להכין תמיסה נוזלית (דיו), ולאחר מכן להשתמש בטכנולוגיית ציפוי (כגון שיטת ריסוס, שיטת להב דוקטור), שיטת הדפסת מסך) התרחיץ מצופה על פני השטח של נייר הפחמן, ולאחר מכן ניתן להשיג את השכבה המיקרו-נקבובית באמצעות סינטר בטמפרטורה גבוהה. יצרני נייר קרבון מספקים ללקוחות גם מוצרים שלמים המצופים בשכבות מיקרו-נקביות. שכבות דיפוזיה של גז (GDL) ממלאות תפקידים ותפקודים רבים בתאי דלק, כגון:

(1) ספק תעלות גז תגובה (H2, O2).

(2) ספק תעלה לתוצרי תגובה (מים, חום) לעזוב את שכבת הזרז

(3) לספק ערוצי כניסה ויציאה לאלקטרוני תגובה אלקטרוכימית

(4) פעל כתמיכה מבנית לשכבת הזרז ולגוף קרום חילופי הפרוטונים

מהמאפיינים לעיל, ניתן לראות ששכבת דיפוזיית הגז (GDL) חייבת להיות בעלת תכונות כמו מוליכות חשמלית, מוליכות תרמית, נקבוביות, חדירות אוויר ותכונות הידרופיליות/הידרופוביות בו זמנית. נכון לעכשיו, ספקי החומרים היחידים לשכבות דיפוזיה של גז תאי דלק בעולם הם Toray, Ballard, Avcarb, SGL ו- Taiwan Carbon Energy. עם זאת, מחיר היחידה גבוה מאוד והביקוש הוא לרוב במחסור. לכן, אם יש טכנולוגיה חדשנית, היא יכולה להוזיל עלויות ולהשיג תוצאות חסכוניות. ייצור חומר מפתח זה בקנה מידה שווה את ההשקעה בטכנולוגיה זו.

שכבת דיפוזיית הגז היא מרכיב הליבה של PEMFC, ושכבת דיפוזיית הגז היא חומר מרכיב חשוב של האלקטרודה. חומרי שכבת דיפוזיה נפוצים בשימוש כוללים נייר סיבי פחמן, בד ארוג בסיבי פחמן, בד לא ארוג ונייר פחמן שחור. אבל חלקם משתמשים גם בחומרי מתכת, כמו ניקל מתכת שטוח עם רשת ספוג.

נייר סיבי פחמן הוא חומר שכבת דיפוזיה בשימוש נרחב באלקטרודות. כדי לשמש ב-PEMFC, עליו לעמוד בדרישות הביצועים הבאות:

(1) מבנה נקבובי אחיד נותן לו יכולת נשימה מעולה;

(2) התנגדות נמוכה, המעניקה לו מוליכות אלקטרונית גבוהה;

(3) המבנה קומפקטי והמשטח שטוח, מפחית את ההתנגדות למגע ומשפר את הביצועים המוליכים;

(4) יש לו חוזק מכני מסוים, הנוח לייצור אלקטרודות ומספק יציבות של מבנה האלקטרודה בתנאי הפעלה ארוכי טווח;

(5) יש לו יציבות כימית ויציבות תרמית; עלות ייצור נמוכה וערך CP גבוה.

הצג עוד