Pada asasnya, sel bahan api adalah peranti yang secara langsung menukar tenaga kimia kepada tenaga elektrik. Ia tidak memerlukan pengecasan tambahan. Selagi bahan api dan oksidan diisi semula secara berterusan, ia boleh terus beroperasi dan menjana elektrik. Bahan api dan oksidan yang ditambah tidak mengalami tindak balas pembakaran, tetapi tindak balas elektrokimia antara bahan api dan oksidan untuk menghasilkan arus elektrik.
Oleh itu, tindak balas elektrokimia sedemikian disertai dengan pemindahan cas akibat tindak balas kimia. Elektron dan ion melengkapkan pemindahan cas melalui laluan tindak balas yang berbeza. Semasa proses tindak balas sel bahan api, bahan api dan oksidan tidak boleh dicampur, tetapi memasuki sel bahan api secara berasingan, dan bertindak balas secara individu di anod dan katod bateri.
Bahan api menjana elektron selepas tindak balas elektrokimia. Elektron mengalir ke elektrod lain melalui elektrod dan litar luar untuk bertindak balas dengan oksidan. Selepas oksidan menerima elektron, ia bertindak balas dan mengalirkan ion melalui elektrolit dalam bateri, membentuk litar untuk operasi elektron.
Unit teras sel bahan api am terdiri daripada tiga komponen asas: anod, katod, dan elektrolit antara dua elektrod. Biasanya hidrogen digunakan sebagai bahan api dan oksigen digunakan sebagai oksidan. Bahan api dioksidakan di anod dan oksigen dikurangkan di katod. Sel bahan api terdiri daripada unit teras sedemikian yang disambungkan secara bersiri untuk membentuk pek bateri kuasa yang lebih besar, atau dipanggil tindanan bateri.
Secara amnya, oksidan boleh menjadi oksigen di udara, dan ion hidrogen dan elektron yang digunakan sebagai bahan api berasal dari anod, dan elektrolit mengalirkan ion hidrogen. Selepas ion hidrogen dihasilkan di anod, ia mencapai katod melalui elektrolit. Selepas elektron dihasilkan di anod, mereka memasuki item elektrik yang digunakan melalui litar di luar bateri, dan kemudian kembali ke katod bateri melalui hujung litar elektrik yang lain. Apabila elektron mengalir melalui perkakas elektrik yang dimuatkan, perkakas elektrik boleh beroperasi, seperti penjanaan kuasa, kereta, pesawat dan operasi motor.
Di antara anod dan katod, terdapat elektrolit yang boleh digunakan untuk menghantar ion. Secara amnya, sel bahan api boleh dikelaskan kepada sel bahan api alkali, sel bahan api asid fosforik, sel bahan api garam lebur karbonat, sel bahan api oksida pepejal, sel bahan api membran pertukaran proton, dan sel bahan api langsung disebabkan oleh ion berbeza yang dijalankan dalam elektrolit atau suhu operasi yang berbeza. . Enam jenis termasuk sel bahan api metanol.
Kadar tindak balas elektrokimia bahan api dan oksidan dalam sel bahan api adalah sangat rendah dan mesti dipercepatkan oleh mangkin, jadi mangkin anod dan mangkin katod diperlukan. Mengambil sel bahan api elektrolit polimer sebagai contoh, mekanisme penjanaan kuasa utama datang daripada Perhimpunan Elektrod Membran (MEA), yang sering dipanggil jantung sel bahan api. Pada asasnya, kumpulan membran elektrod mempunyai struktur lima lapisan, dengan membran polimer yang mengalirkan ion hidrogen di tengah, lapisan pemangkin anod dan lapisan pemangkin katod pada kedua-dua belah, dan lapisan resapan gas paling luar (sering dibahagikan kepada lapisan resapan gas bahan api. dan lapisan resapan oksigen).
Struktur lapisan pemangkin agak kompleks dan pelbagai. Oleh kerana perubahan elektrokimia yang paling penting berlaku di sini, jika lapisan pemangkin direka bentuk atau dibuat dengan buruk, sel bahan api tidak akan dapat menjana arus yang mencukupi dan kecekapan akan berkurangan. Lapisan mangkin diapit di antara membran polimer dan lapisan resapan gas. Kaedah pembuatan adalah untuk mencampurkan jumlah mangkin yang sesuai dan larutan membran polimer secara seragam. Larutan campuran ini dipanggil buburan mangkin. Buburan campuran boleh disalut pada lapisan resapan gas atau pada membran polimer. Walau bagaimanapun, membran polimer mudah menyerap pelarut dalam buburan campuran dan berubah bentuk, yang sering menyebabkan kesukaran pembuatan.
Sekarang gunakan lapisan mangkin oksigen untuk menggambarkan bagaimana tindak balas berlaku. Apabila oksigen memasuki sel bahan api, ia mesti diserakkan terlebih dahulu untuk mencapai lapisan mangkin secara sama rata. Secara amnya, bahan yang membentuk lapisan resapan gas ialah kain karbon atau kertas karbon, yang mesti digrafikkan pada suhu tinggi untuk menjadikannya konduktif dan meningkatkan rintangan kakisan. , kerana bahan karbon mudah terhakis di bawah pengaruh medan elektrik.
Selain itu, lapisan resapan gas juga mestilah hidrofobik. Jika polytetrafluoroethylene (PTFE, juga dikenali sebagai Teflon) ditambah pada lapisan resapan gas, kerana sifat hidrofobik Teflon, wap air yang masuk dan keluar dari kumpulan membran elektrod tidak akan Pemeluwapan dalam lapisan resapan gas boleh menghalang titisan air yang terkondensasi. daripada menyebabkan halangan lapisan resapan gas. Sebaliknya, Teflon juga berfungsi sebagai pengikat. Disebabkan oleh kestabilan struktur fluorokarbonnya, ia tidak akan dinyahkonstruk kerana serangan radikal bebas yang dijana di bawah potensi operasi.
Gas tindak balas mencapai lapisan mangkin selepas melalui lapisan resapan gas, dan tindak balas elektrokimia berlaku pada permukaan logam mangkin. Satu lagi fungsi lapisan resapan gas adalah untuk menghantar elektron. Elektron yang diperlukan untuk tindak balas menggunakan lapisan resapan gas untuk masuk dan keluar, jadi lapisan resapan gas mesti boleh mengalirkan elektron dan mempunyai kekonduksian yang tinggi. Secara amnya, selepas menambah Teflon pada lapisan resapan gas, kekonduksian akan berkurangan, jadi serbuk karbon dengan kekonduksian tinggi perlu ditambah untuk meningkatkan kekonduksian.
Permukaan mangkin mesti bersentuhan dengan elektrolit (iaitu, membran pengalir proton) kerana tindak balas elektrokimia berlaku pada antara muka antara kedua-duanya. Ion hidrogen yang diperlukan untuk tindak balas semuanya dipindahkan oleh elektrolit, jadi sentuhan yang lemah antara mangkin dan elektrolit akan menjejaskan kemajuan tindak balas. Jika pemangkin tidak bersentuhan dengan elektrolit, fungsinya akan hilang. Elektron yang diperlukan untuk tindak balas semuanya masuk dan keluar melalui mangkin. Walau bagaimanapun, kekonduksian yang lemah bagi mangkin itu sendiri atau sentuhan yang lemah antara zarah mangkin juga akan menyebabkan rintangan kepada kemasukan dan keluar elektron. Faktor di atas semuanya menyebabkan peningkatan rintangan dalam kumpulan membran elektrod dan mengurangkan output kuasa bateri.
Apabila digunakan dalam sel bahan api, pemangkin elektrod biasanya mesti mempunyai aktiviti pemangkin yang tinggi, kekonduksian tinggi, kestabilan elektrokimia yang tinggi, ketahanan terhadap pengoksidaan atau pengurangan, harga rendah dan sumber yang banyak. Platinum mahal dan harus digunakan sesedikit mungkin. Walau bagaimanapun, terlalu sedikit juga akan menjejaskan kemajuan tindak balas. Bahan pemangkin alternatif juga merupakan salah satu fokus penyelidikan dan pembangunan semasa. Pemangkin elektrod adalah bahan berfungsi yang paling penting dalam struktur membran elektrod, dan fungsi utamanya adalah untuk memangkinkan tindak balas elektrokimia.
Di anod, molekul hidrogen dioksidakan kepada elektron dan proton. Jika metanol diberi secara langsung, tindak balas akan menjadi lebih rumit dan ia mesti terdiri daripada mangkin elektrod yang tidak akan diduduki oleh produk terjerap kuat tindak balas pengoksidaan metanol pada permukaan tindak balas, seperti Aloi dan oksida untuk memangkinkan metanol secara berterusan. dan molekul air untuk menghasilkan elektron, proton dan karbon dioksida.
Katod memerlukan mangkin yang boleh mengurangkan oksigen. Kompleks logam makrosiklik yang boleh menyerap molekul oksigen biasanya digunakan sebagai pemangkin elektrod. Penjerapan permukaan molekul oksigen adalah keadaan pemangkin untuk tindak balas elektrokimia pengurangan oksigen. Mangkin memerlukan pengikat polimer untuk diikat dalam lapisan mangkin. Pengikat ini juga boleh menjadi elektrolit polimer, yang bukan sahaja mempunyai fungsi mengikat pemangkin, tetapi juga merupakan cara untuk mengangkut ion hidrogen. Mengambil katod oksigen sebagai contoh, apabila tindak balas berlaku pada permukaan mangkin, kehadiran oksigen diperlukan. Oksigen ini bukan gas, tetapi oksigen terlarut dalam elektrolit, dan ion hidrogen juga mencapai permukaan pemangkin melalui elektrolit, dan elektron mencapai permukaan pemangkin melalui sentuhan antara lapisan resapan gas dan lapisan pemangkin. Antaranya, oksigen terlarut, ion hidrogen dan elektron sangat diperlukan, dan tindak balas tidak dapat diteruskan tanpa salah satu daripadanya.
Sebaliknya, air yang dihasilkan oleh tindak balas tidak boleh kekal di permukaan mangkin. Air yang dihasilkan mesti dikeluarkan dengan segera untuk memberi ruang kepada bahan tindak balas untuk mendap semula pada permukaan mangkin. Pemergian produk juga merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi kelajuan tindak balas. satu. Produk sel bahan api adalah air, jadi cara cepat mengeluarkan air daripada sel bahan api adalah isu penting.
Bagi sel bahan api elektrolit polimer yang menggunakan hidrogen sebagai suapan, teras operasi sel bahan api yang baik memerlukan kewujudan empat laluan, iaitu saluran ion hidrogen, saluran oksigen terlarut, saluran elektron, dan saluran air. Jika laluan ini tidak berkesan, ia akan mengakibatkan kecekapan penjanaan kuasa berkurangan. Oleh itu, pembuatan susunan membran elektrod masih merupakan proses teknikal. Setiap pengeluar tindanan sel bahan api mempunyai kaedah pembuatan tersendiri untuk menghasilkan komponen utama ini.
Kuasa sel bahan api ditentukan oleh saiz kumpulan membran elektrod dan bilangan kumpulan membran elektrod dalam pek bateri. Timbunan membran elektrod ialah unit teras sel bahan api elektrolit polimer dan komponen utama prestasi kuasa timbunan sel bahan api. Dengan reka bentuk medan aliran yang sesuai, pengurusan air dan keadaan operasi pengurusan haba, sel bahan api untuk tujuan berbeza boleh dibentuk.
Penerangan teknikal lapisan resapan gas
Bahan asas struktur lapisan resapan gas sel bahan api membran pertukaran proton biasanya produk gentian karbon (Carbon-Fiber), seperti kertas karbon (Carbon Paper) dan gentian tenunan (Woven Fiber) atau dipanggil kain karbon (Kain Karbon), menggunakan gentian karbon sebagai gas Kelebihan bahan lapisan resapan ialah struktur keliangannya yang tinggi dan kekonduksian elektrik yang tinggi.
Struktur lapisan resapan gas sel bahan api yang paling biasa digunakan ialah kertas gentian karbon. Proses ini biasanya dipanggil proses pembuatan kertas. Semasa proses, sifat bahan mentah, kekonduksian dan kestabilan kimia kertas karbon juga mesti dipertingkatkan. Kaedahnya ialah menggunakan kertas gentian karbon sebagai asas, tambah bahan komposit karbon, gaul dan rawat haba. Dalam proses itu, bahan mentah perantaraan yang sesuai juga boleh ditambah dan kertas karbon yang sama boleh dibangunkan dengan ciri-ciri yang digunakan.
Sebelum peringkat pembuatan kertas kertas karbon, gentian filamen berterusan mesti dipotong menjadi segmen gentian pendek antara 3~12mm. Proses selepas membentuk segmen gentian pendek dibahagikan kepada 1. Pembuatan kertas, 2. Impregnasi dengan resin komposit, 3. Pembentukan Heat Press, 4. rawatan pengkarbonan dan 5. rawatan grafitisasi.
Pengeluar kertas karbon yang kini boleh digunakan dalam lapisan resapan gas sel bahan api termasuk TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy dan syarikat lain. Kaedah pengeluaran umum lapisan mikroporous (MPL) adalah menggunakan pengayun ultrasonik terlebih dahulu untuk mencampur dan mengacau komponen ini, dan akhirnya membuat buburan cecair (Ink), dan kemudian menggunakan teknologi salutan (seperti kaedah penyemburan, kaedah pisau doktor), kaedah percetakan skrin) Buburan disalut pada permukaan kertas karbon, dan kemudian lapisan mikroporous boleh diperolehi melalui pensinteran suhu tinggi. Pengeluar kertas karbon juga menyediakan produk lengkap yang disalut dengan lapisan microporous kepada pelanggan. Lapisan resapan gas (GDL) memainkan banyak peranan dan fungsi dalam sel bahan api, seperti:
(1) Sediakan saluran gas tindak balas (H2, O2).
(2) Sediakan saluran untuk produk tindak balas (air, haba) untuk meninggalkan lapisan mangkin
(3) Menyediakan saluran masuk dan keluar untuk elektron tindak balas elektrokimia
(4) Bertindak sebagai sokongan struktur untuk lapisan pemangkin dan badan membran pertukaran proton
Daripada ciri-ciri di atas, dapat dilihat bahawa lapisan resapan gas (GDL) mestilah mempunyai sifat-sifat seperti kekonduksian elektrik, kekonduksian haba, keliangan, kebolehtelapan udara, dan sifat hidrofilik/hidrofobik pada masa yang sama. Pada masa ini, satu-satunya pembekal bahan untuk lapisan resapan gas sel bahan api di dunia ialah Toray, Ballard, Avcarb, SGL dan Taiwan Carbon Energy. Walau bagaimanapun, harga seunit adalah sangat tinggi dan permintaan selalunya kurang. Oleh itu, jika ada teknologi yang inovatif, ia dapat mengurangkan kos dan mencapai hasil yang menjimatkan. Menghasilkan bahan utama ini pada skala adalah bernilai pelaburan dalam teknologi ini.
Lapisan resapan gas ialah komponen teras PEMFC, dan lapisan resapan gas ialah bahan komponen penting elektrod. Bahan lapisan resapan gas yang biasa digunakan termasuk kertas gentian karbon, kain tenunan gentian karbon, kain bukan tenunan dan kertas hitam karbon. Tetapi ada juga yang menggunakan bahan logam, seperti nikel logam span-mesh logam rata.
Kertas gentian karbon ialah bahan lapisan resapan gas yang digunakan secara meluas dalam elektrod. Untuk digunakan dalam PEMFC, ia mesti memenuhi keperluan prestasi berikut:
(1) Struktur berliang seragam memberikan kebolehnafasan yang sangat baik;
(2) Kerintangan rendah, memberikan kekonduksian elektronik yang tinggi;
(3) Strukturnya padat dan permukaannya rata, mengurangkan rintangan sentuhan dan meningkatkan prestasi konduktif;
(4) Ia mempunyai kekuatan mekanikal tertentu, yang sesuai untuk pengeluaran elektrod dan memberikan kestabilan struktur elektrod di bawah keadaan operasi jangka panjang;
(5) Ia mempunyai kestabilan kimia dan kestabilan terma; kos pembuatan yang rendah dan nilai CP yang tinggi.