V bistvu je gorivna celica naprava, ki neposredno pretvarja kemično energijo v električno. Ne zahteva dodatnega polnjenja. Dokler se gorivo in oksidant nenehno dopolnjujeta, lahko še naprej deluje in proizvaja električno energijo. Dodatno gorivo in oksidant nista podvržena reakciji zgorevanja, temveč elektrokemični reakciji med gorivom in oksidantom za ustvarjanje električnega toka.
Zato takšno elektrokemijsko reakcijo spremlja prenos naboja zaradi kemičnih reakcij. Elektroni in ioni dokončajo prenos naboja skozi različne reakcijske poti. Med reakcijskim procesom gorivne celice se gorivo in oksidant ne moreta mešati, ampak vstopita v gorivno celico ločeno in reagirata posamezno na anodi in katodi baterije.
Gorivo generira elektrone po elektrokemični reakciji. Elektroni tečejo do druge elektrode skozi elektrodo in zunanji tokokrog, da reagirajo z oksidantom. Ko oksidant sprejme elektrone, reagira in prevaja ione skozi elektrolit v bateriji ter tvori vezje za delovanje elektronov.
Jedro splošne gorivne celice je sestavljeno iz treh osnovnih komponent: anode, katode in elektrolita med obema elektrodama. Običajno se vodik uporablja kot gorivo, kisik pa kot oksidant. Gorivo oksidira na anodi, kisik pa reducira na katodi. Gorivne celice so sestavljene iz takšnih jedrnih enot, ki so zaporedno povezane in tvorijo večji napajalni baterijski paket ali imenujemo baterijski sklop.
Na splošno je lahko oksidant kisik v zraku, vodikovi ioni in elektroni, ki se uporabljajo kot gorivo, pa prihajajo iz anode, elektrolit pa vodi vodikove ione. Ko vodikovi ioni nastanejo na anodi, dosežejo katodo skozi elektrolit. Ko se elektroni proizvedejo na anodi, vstopijo v električne elemente, ki se uporabljajo skozi vezje zunaj baterije, nato pa se vrnejo na katodo baterije skozi drugi konec električnega vezja. Ko elektroni tečejo skozi obremenjeno električno napravo, lahko električna naprava deluje, kot je proizvodnja električne energije, avtomobili, letala in motor.
Med anodo in katodo je elektrolit, ki se lahko uporablja za prevajanje ionov. Na splošno lahko gorivne celice razvrstimo v alkalne gorivne celice, gorivne celice s fosforno kislino, gorivne celice s karbonatno staljeno soljo, gorivne celice s trdnimi oksidi, gorivne celice s protonsko izmenjevalno membrano in neposredne gorivne celice zaradi različnih ionov, ki se prevajajo v elektrolitu ali različnih delovnih temperatur. . Šest vrst, vključno z gorivnimi celicami na metanol.
Hitrost elektrokemične reakcije goriva in oksidanta v gorivni celici je zelo nizka in jo mora pospešiti katalizator, zato sta potrebna anodni in katodni katalizator. Če za primer vzamemo gorivne celice s polimernim elektrolitom, glavni mehanizem za proizvodnjo energije prihaja iz sklopa membranske elektrode (MEA), ki se pogosto imenuje srce gorivne celice. V bistvu ima skupina elektrodnih membran petplastno strukturo s polimerno membrano, ki prevaja vodikove ione v sredini, plastjo anode in katodnega katalizatorja na obeh straneh ter najbolj zunanjo plastjo za difuzijo plina (pogosto razdeljeno na plast za difuzijo gorivnega plina). in plast za difuzijo kisika).
Struktura plasti katalizatorja je precej zapletena in raznolika. Ker tukaj pride do najpomembnejših elektrokemičnih sprememb, če je plast katalizatorja slabo zasnovana ali izdelana, gorivna celica ne bo mogla ustvariti zadostnega toka in učinkovitost se bo zmanjšala. Plast katalizatorja je stisnjena med polimerno membrano in plinsko difuzijsko plast. Metoda izdelave je enakomerno mešanje ustrezne količine katalizatorja in raztopine polimerne membrane. Ta mešana raztopina se imenuje gošča katalizatorja. Mešano brozgo lahko nanesemo na plinsko difuzijsko plast ali na polimerno membrano. Vendar pa polimerna membrana zlahka absorbira topilo v mešani kaši in se deformira, kar pogosto povzroča težave pri izdelavi.
Zdaj uporabite plast kisikovega katalizatorja, da ponazorite, kako poteka reakcija. Ko kisik vstopi v gorivno celico, ga je treba najprej razpršiti, da lahko enakomerno doseže plast katalizatorja. Na splošno je material, ki sestavlja plinsko difuzijsko plast, karbonska tkanina ali karbonski papir, ki mora biti grafitiziran pri visoki temperaturi, da postane prevoden in poveča odpornost proti koroziji. , ker ogljikovi materiali pod vplivom električnih polj zlahka korodirajo.
Poleg tega mora biti plinsko difuzijska plast tudi hidrofobna. Če sloju za plinsko difuzijo dodamo politetrafluoroetilen (PTFE, znan tudi kot teflon), zaradi hidrofobnih lastnosti teflona vodna para, ki vstopa in izstopa iz skupine elektrodnih membran, ne bo. Kondenzacija v sloju za plinsko difuzijo lahko prepreči kapljice kondenzirane vode da ne povzroči oviranja plasti za difuzijo plina. Po drugi strani pa teflon deluje tudi kot vezivo. Zaradi stabilnosti njegove fluoroogljikove strukture se ne bo razgradil zaradi napada prostih radikalov, ki nastanejo med potencialnim delovanjem.
Reakcijski plin doseže plast katalizatorja po prehodu skozi plast difuzije plina in na površini kovine katalizatorja pride do elektrokemičnih reakcij. Druga funkcija plinske difuzijske plasti je prevajanje elektronov. Elektroni, potrebni za reakcijo, uporabljajo plinsko difuzijsko plast za vstop in izstop, zato mora biti plinsko difuzijska plast sposobna prevajati elektrone in imeti visoko prevodnost. Na splošno se po dodajanju teflona plinski difuzijski plasti prevodnost zmanjša, zato je treba za povečanje prevodnosti dodati ogljikov prah z visoko prevodnostjo.
Površina katalizatorja mora biti v stiku z elektrolitom (tj. protonsko prevodno membrano), ker elektrokemična reakcija poteka na meji med njima. Vse vodikove ione, potrebne za reakcijo, prenese elektrolit, zato bo slab stik med katalizatorjem in elektrolitom negativno vplival na potek reakcije. Če katalizator ni v stiku z elektrolitom, bo njegova funkcija izginila. Vsi elektroni, potrebni za reakcijo, vstopajo in izstopajo skozi katalizator. Vendar bo slaba prevodnost samega katalizatorja ali slab stik med delci katalizatorja povzročila tudi odpornost proti vstopu in izstopu elektronov. Vsi zgornji dejavniki povzročijo povečanje upora znotraj skupine elektrodnih membran in zmanjšajo izhodno moč baterije.
Pri uporabi v gorivnih celicah morajo elektrodni katalizatorji običajno imeti visoko katalitično aktivnost, visoko prevodnost, visoko elektrokemijsko stabilnost, odpornost proti oksidaciji ali redukciji, nizko ceno in obilo virov. Platina je draga in jo je treba uporabljati čim manj. Vendar pa bo premalo vplivalo tudi na potek reakcije. Alternativni katalizatorski materiali so tudi eden od fokusov trenutnih raziskav in razvoja. Elektrodni katalizator je najpomembnejši funkcionalni material v strukturi elektrodne membrane, njegova glavna funkcija pa je kataliziranje elektrokemične reakcije.
Na anodi se vodikove molekule oksidirajo v elektrone in protone. Če se metanol dovaja neposredno, bo reakcija bolj zapletena in mora biti sestavljena iz elektrodnega katalizatorja, ki ga ne bodo zasedli močno adsorbirani produkti reakcije oksidacije metanola na reakcijski površini, kot so zlitine in oksidi za neprekinjeno kataliziranje metanola in molekule vode za proizvodnjo elektronov, protonov in ogljikovega dioksida.
Katoda potrebuje katalizator, ki lahko zmanjša kisik. Makrociklični kovinski kompleksi, ki lahko adsorbirajo molekule kisika, se običajno uporabljajo kot elektrodni katalizatorji. Površinska adsorpcija molekul kisika je katalitični pogoj za elektrokemično reakcijo redukcije kisika. Katalizator potrebuje polimerno vezivo, ki se veže v plast katalizatorja. To vezivo je lahko tudi polimerni elektrolit, ki nima samo funkcije vezave katalizatorja, ampak je tudi način transporta vodikovih ionov. Če za primer vzamemo kisikovo katodo, ko reakcija poteka na površini katalizatorja, je potrebna prisotnost kisika. Ta kisik ni plin, ampak kisik, raztopljen v elektrolitu, in vodikovi ioni prav tako dosežejo površino katalizatorja skozi elektrolit, elektroni pa dosežejo površino katalizatorja skozi stik med plastjo difuzije plina in plastjo katalizatorja. Med njimi so nepogrešljivi raztopljeni kisik, vodikovi ioni in elektroni, brez enega od njih pa reakcija ne more potekati.
Po drugi strani pa voda, ki nastane pri reakciji, ne more ostati na površini katalizatorja. Nastalo vodo je treba takoj odstraniti, da se reaktanti ponovno usedejo na površino katalizatorja. Odhod produktov je tudi eden izmed dejavnikov, ki vpliva na hitrost reakcije. eno. Produkt gorivne celice je voda, zato je pomembno vprašanje, kako hitro odstraniti vodo iz gorivne celice.
Za gorivne celice s polimernim elektrolitom, ki uporabljajo vodik kot vir, jedro dobrega delovanja gorivne celice zahteva obstoj štirih poti, in sicer vodikovih ionskih kanalov, kanalov raztopljenega kisika, elektronskih kanalov in vodnih kanalov. Če so te poti neučinkovite, bodo povzročile zmanjšano učinkovitost proizvodnje električne energije. Zato je izdelava sklopov elektrodnih membran še vedno tehnični proces. Vsak proizvajalec sklopa gorivnih celic ima svojo edinstveno proizvodno metodo za proizvodnjo te ključne komponente.
Moč gorivne celice je določena z velikostjo skupine elektrodnih membran in številom skupin elektrodnih membran v baterijskem paketu. Membranski sklop elektrod je osrednja enota gorivne celice s polimernim elektrolitom in ključna komponenta energetske učinkovitosti sklada gorivnih celic. Z ustrezno zasnovo pretočnega polja, vodnih in toplotnih pogojev delovanja je mogoče oblikovati gorivne celice za različne namene.
Tehnični opis plasti difuzije plina
Osnovni material strukture sloja plinske difuzije gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov so običajno izdelki iz ogljikovih vlaken (Carbon-Fiber), kot so karbon papir (Carbon Paper) in tkana vlakna (Woven Fiber) ali imenovana karbonska tkanina (Carbon Cloths), uporaba ogljikovih vlaken kot plina. Prednost materiala difuzijske plasti je njegova struktura z visoko poroznostjo in visoko električno prevodnostjo.
Najpogosteje uporabljena struktura plasti difuzije plina v gorivnih celicah je papir iz ogljikovih vlaken. Postopek na splošno imenujemo postopek izdelave papirja. Med postopkom je treba izboljšati tudi lastnosti surovin, prevodnost in kemično stabilnost karbon papirja. Metoda je uporaba papirja iz ogljikovih vlaken kot osnove, dodajanje ogljikovih kompozitnih materialov, mešanje in toplotna obdelava. V procesu je mogoče dodati tudi ustrezne vmesne surovine in razviti enak karbon papir z uporabljenimi lastnostmi.
Pred fazo izdelave karbonskega papirja je treba neprekinjena filamentna vlakna razrezati na kratke segmente vlaken med 3 ~ 12 mm. Postopek po oblikovanju segmentov kratkih vlaken je razdeljen na 1. izdelavo papirja, 2. impregnacijo s kompozitno smolo, 3. oblikovanje s toplotnim stiskanjem, 4. karbonizacijsko obdelavo in 5. grafitizacijo.
Proizvajalci ogljikovega papirja, ki se trenutno lahko uporabljajo v slojih za difuzijo plina v gorivnih celicah, so TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy in druga podjetja. Splošna proizvodna metoda mikroporozne plasti (MPL) je, da najprej uporabimo ultrazvočni oscilator za mešanje in mešanje teh komponent in na koncu naredimo tekočo brozgo (črnilo), nato pa uporabimo tehnologijo premazovanja (kot je metoda pršenja, metoda doktorskega rezila), metoda sitotiska) Zmes je prevlečena na površino ogljikovega papirja, nato pa se mikroporozna plast lahko pridobi s sintranjem pri visoki temperaturi. Proizvajalci karbon papirja strankam ponujajo tudi celotne izdelke, prevlečene z mikroporoznimi plastmi. Plasti za difuzijo plina (GDL) imajo številne vloge in funkcije v gorivnih celicah, kot so:
(1) Zagotovite kanale za reakcijski plin (H2, O2).
(2) Zagotovite kanal za reakcijske produkte (vodo, toploto), da zapustijo plast katalizatorja
(3) Zagotavljajo vstopne in izstopne kanale za elektrokemične reakcije
(4) Deluje kot strukturna podpora za plast katalizatorja in telo membrane za izmenjavo protonov
Iz zgornjih značilnosti je razvidno, da mora plinsko difuzijska plast (GDL) hkrati imeti lastnosti, kot so električna prevodnost, toplotna prevodnost, poroznost, zračna prepustnost in hidrofilne/hidrofobne lastnosti. Trenutno so edini dobavitelji materialov za plinske difuzijske plasti gorivnih celic na svetu Toray, Ballard, Avcarb, SGL in Taiwan Carbon Energy. Vendar je cena na enoto zelo visoka in povpraševanja pogosto primanjkuje. Torej, če obstaja inovativna tehnologija, lahko zmanjša stroške in doseže ekonomske rezultate. Proizvodnja tega ključnega materiala v velikem obsegu je vredna naložbe v to tehnologijo.
Plast za difuzijo plina je osrednja komponenta PEMFC, plast za difuzijo plina pa je pomemben sestavni material elektrode. Običajno uporabljeni materiali za plinsko difuzijsko plast vključujejo papir iz ogljikovih vlaken, tkano blago iz ogljikovih vlaken, netkano blago in papir s sajami. Toda nekateri uporabljajo tudi kovinske materiale, kot je ploščati kovinski gobasti kovinski nikelj.
Papir iz ogljikovih vlaken je material za plinsko difuzijsko plast, ki se pogosto uporablja v elektrodah. Za uporabo v PEMFC mora izpolnjevati naslednje zahteve glede zmogljivosti:
(1) Enotna porozna struktura daje odlično zračnost;
(2) Nizka upornost, ki daje visoko elektronsko prevodnost;
(3) Struktura je kompaktna in površina je ravna, kar zmanjšuje kontaktni upor in izboljša prevodno delovanje;
(4) Ima določeno mehansko trdnost, ki je primerna za proizvodnjo elektrod in zagotavlja stabilnost strukture elektrode v dolgotrajnih pogojih delovanja;
(5) ima kemično stabilnost in toplotno stabilnost; nizki proizvodni stroški in visoka vrednost CP.