Упорядоченный мембранный электрод

Упорядоченный мембранный электрод — Cheersonic

Каталитический слой мембранно-электродного блока (МЭБ) типа GDE и типа CCM смешивают с катализатором и электролитным раствором для образования каталитической суспензии, после чего наносят покрытие. Каналы переноса материалов в подготовленном МЭБ, таких как протоны, электроны, газ и вода, находятся в неупорядоченном состоянии, что приводит к очень низкой эффективности переноса материалов и сильному поляризационному явлению, что не способствует высокотоковому разряду МЭБ. Кроме того, содержание платины в МЭБ относительно высокое. Разработка высокоэффективных, долговечных и недорогих МЭБ стала предметом пристального внимания. Упорядоченный МЭБ обладает очень высокой степенью использования платины, что эффективно снижает стоимость МЭБ и одновременно обеспечивает эффективный перенос протонов, электронов, газа, воды и других веществ, тем самым улучшая комплексные характеристики топливных элементов с протонно-обменной мембраной (PEMFC).

К упорядоченным мембранным электродам относятся упорядоченные мембранные электроды на основе углеродных нанотрубок, упорядоченные мембранные электроды на основе каталитических пленок и упорядоченные мембранные электроды на основе протонных проводников.

Упорядоченный пленочный электрод на основе углеродных нанотрубок

Свойства графитовой решетки углеродных нанотрубок обеспечивают их устойчивость к высоким потенциалам. Взаимодействие с частицами платины и их эластичность улучшают каталитическую активность частиц платины. За последние десять лет были разработаны пленки на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (VACNT) в качестве электродов. Механизм вертикального расположения увеличивает газодиффузионный слой, дренажную способность и эффективность использования платины.

VACNT можно разделить на два типа: VACNT, состоящие из изогнутых, разреженных углеродных нанотрубок; и VACNT, состоящие из прямых, плотных углеродных нанотрубок.

Классический процесс изготовления мембранного электрода на основе вертикальных углеродных нанотрубок.

Чжан и соавторы разработали упорядоченные мембранные электроды из VACNTs/Nafion/VACNTs. Их характеристики в два раза превосходят характеристики традиционного мембранного электрода Pt/C.

Морфология вертикально ориентированных углеродных нанотрубок на мембране Nafion, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Мурата и др. катализировали рост изогнутых и разреженных вертикально ориентированных углеродных нанотрубок на подложке из нержавеющей стали. При этом сохраняя свои характеристики, содержание платины в них приближается к целевому показателю Министерства энергетики США на 2020 год.

Упорядоченный мембранный электрод на основе каталитической пленки

Упорядоченная структура каталитической пленки в основном определяется упорядоченной структурой платиновых нанотрубок и платиновых нанопроволок. Среди них представителем упорядоченного каталитического мембранного электрода является коммерческий продукт компании 3M — NSTF. По сравнению с традиционными катализаторами Pt/C, NSTF обладает четырьмя основными характеристиками: носитель катализатора представляет собой упорядоченные органические нитевидные кристаллы; катализатор образует пленку из платинового сплава на этих нитевидных кристаллах; в каталитическом слое отсутствует углеродная подложка; толщина слоя катализатора NSTF составляет менее 1 мкм.

На рисунке ниже показаны рабочие параметры электрода NSTF, изготовленного компанией 3M. Из рисунка видно, что, за исключением того, что долговечность электрода NSTF ниже технического показателя Министерства энергетики США, остальные показатели производительности относительно близки к целевому значению Министерства энергетики США.

Упорядоченный мембранный электрод на основе протонного проводника

Протонпроводящий упорядоченный мембранный электрод, основная функция которого заключается во введении полимерных материалов, подобных нанопроволокам, для повышения эффективности передачи протонов в каталитическом слое. Ю и др. получили структуру TiO2/Ti из массивов нанотрубок TiO2 (TNT) на титановой подложке, а затем отожгли их в водородной атмосфере для получения H-TNT, и нанесли частицы Pt-Pd на поверхность H-TNT методом сенсибилизации и замещения SnCl2. Топливный элемент высокой плотности мощности.

На основе функции быстрой протонной проводимости нанопроводов Nafion, Научно-исследовательский институт ядерной энергетики Университета Цинхуа и Автомобильный факультет впервые синтезировали новый упорядоченный каталитический слой. Он обладает следующими характеристиками: наностержни Nafion выращиваются in situ на протонно-обменной мембране, при этом контактное сопротивление на границе раздела снижается до нуля; на наностержни Nafion наносится каталитический слой из частиц Pt, который также выполняет функции катализатора и фазы электронной проводимости; в каталитическом слое наностержни Nafion обладают функцией быстрой протонной проводимости.

Несомненно, упорядоченные мембранные электроды являются основным направлением развития технологий изготовления мембранных электродов следующего поколения. При одновременном снижении содержания платиновых элементов необходимо учитывать пять основных моментов: высокая чувствительность упорядоченных мембранных электродов к примесям; расширение рабочего диапазона мембранных электродов за счет оптимизации материалов, характеризации и моделирования; внедрение быстропротонных проводящих наноструктур в каталитический слой; разработка недорогого процесса массового производства; углубленное изучение взаимодействия между протонно-обменной мембраной мембранного электрода, электрокатализатором и газодиффузионным слоем, а также синергетического эффекта.

Ультразвуковая распылительная машина для упорядоченного нанесения каталитического покрытия на мембранные электроды.

Компания Cheersonic является ведущим профессиональным поставщиком высокоточного оборудования для нанесения каталитических покрытий, специально разработанного для точного осаждения катализаторов на мембранные электроды топливных элементов и электролизеров. Благодаря применению передовой технологии ультразвукового распыления, оборудование эффективно решает проблемы неравномерного нанесения покрытия, значительных потерь материала и нестабильной работы, характерные для традиционных процессов нанесения каталитических покрытий, обеспечивая надежные и эффективные решения для производства электрохимических устройств.

Система ультразвукового распыления отличается сверхвысокой точностью и повторяемостью нанесения покрытия, обеспечивая стабильное и равномерное осаждение каталитического слоя на различных электродных и мембранных подложках. Она значительно повышает эффективность переноса каталитической краски, резко сокращая отходы дорогостоящих драгоценных металлов, таких как платина. Кроме того, оборудование поддерживает гибкую настройку параметров нанесения покрытия и формования, что позволяет адаптировать структуру каталитического слоя для оптимизации морфологии мембранного электрода и повышения общей долговечности.

В отличие от традиционных методов распыления, принцип ультразвуковой вибрации позволяет поддерживать долговременное равномерное распределение наночастиц катализатора и эффективно предотвращать повторную агломерацию частиц в процессе нанесения покрытия. Это позволяет производителям достигать полной и равномерной активации катализатора в условиях низкой загрузки, значительно снижая расход дорогостоящих платиновых материалов на единицу продукции. Без ущерба для превосходного электрохимического отклика и эксплуатационной стабильности мембранных электродов, технология обеспечивает двойную оптимизацию: производительности продукта и производственных затрат.

Видео ультразвукового нанесения покрытия на топливный элемент

О компании Cheersonic

Компания Cheersonic  является ведущим разработчиком и производителем  ультразвуковых систем нанесения покрытий  для точного нанесения тонких пленочных покрытий с целью защиты, упрочнения или выравнивания поверхностей деталей и компонентов для рынков микроэлектроники/электроники, альтернативной энергетики, медицины и промышленности, включая специализированные применения стекла в строительстве и автомобилестроении.

Наши  решения для нанесения покрытий  экологичны, эффективны и высоконадежны, позволяют значительно сократить избыточное распыление, сэкономить сырье, воду и энергию, а также улучшить повторяемость процесса, повысить эффективность переноса, обеспечить высокую однородность и снизить выбросы.

Китайский сайт: Cheersonic предоставляет профессиональные решения в области нанесения покрытий.