Bażikament, ċellula tal-fjuwil hija apparat li jikkonverti direttament l-enerġija kimika f'enerġija elettrika. Ma jeħtieġx iċċarġjar addizzjonali. Sakemm il-fjuwil u l-ossidant jimtlew kontinwament, jistgħu jkomplu joperaw u jiġġeneraw l-elettriku. Il-karburant supplimentat u l-ossidant ma jgħaddux minn reazzjoni ta 'kombustjoni, iżda reazzjoni elettrokimika bejn il-karburant u l-ossidant biex jiġġeneraw kurrent elettriku.
Għalhekk, reazzjoni elettrokimika bħal din hija akkumpanjata mit-trasferiment ta 'ċarġ minħabba reazzjonijiet kimiċi. Elettroni u joni jlestu t-trasferiment ta 'ċarġ permezz ta' mogħdijiet ta 'reazzjoni differenti. Matul il-proċess ta 'reazzjoni taċ-ċellula tal-karburant, il-karburant u l-ossidant ma jistgħux jitħalltu, iżda jidħlu fiċ-ċellula tal-karburant separatament, u jirreaġixxu individwalment fl-anodu u l-katodu tal-batterija.
Il-karburant jiġġenera elettroni wara reazzjoni elettrokimika. L-elettroni jiċċirkolaw lejn l-elettrodu l-ieħor permezz tal-elettrodu u ċ-ċirkwit estern biex jirreaġixxu ma 'l-ossidant. Wara li l-ossidant jaċċetta l-elettroni, jirreaġixxi u jmexxi joni permezz tal-elettrolit fil-batterija, u jifforma ċirkwit għall-operat tal-elettroni.
L-unità ċentrali ta 'ċellula tal-fjuwil ġenerali hija magħmula minn tliet komponenti bażiċi: anodu, katodu, u l-elettrolit bejn iż-żewġ elettrodi. Normalment l-idroġenu jintuża bħala karburant u l-ossiġnu jintuża bħala ossidant. Il-fjuwil jiġi ossidizzat fl-anodu u l-ossiġnu jitnaqqas fil-katodu. Iċ-ċelloli tal-fjuwil huma komposti minn tali unitajiet tal-qalba konnessi f'serje biex jiffurmaw pakkett ta 'batteriji ta' enerġija akbar, jew imsejħa munzell ta 'batteriji.
Ġeneralment, l-ossidant jista 'jkun ossiġnu fl-arja, u l-joni tal-idroġenu u l-elettroni użati bħala karburant jiġu mill-anodu, u l-elettrolit imexxi joni tal-idroġenu. Wara li l-joni tal-idroġenu jiġu prodotti fl-anodu, jilħqu l-katodu permezz tal-elettrolit. Wara li l-elettroni jiġu prodotti fl-anodu, jidħlu fl-oġġetti elettriċi użati permezz taċ-ċirkwit barra l-batterija, u mbagħad jerġgħu lura għall-katodu tal-batterija mit-tarf l-ieħor taċ-ċirkwit elettriku. Meta l-elettroni jgħaddu mill-apparat elettriku mgħobbi, l-apparat elettriku jista 'jopera, bħall-ġenerazzjoni tal-enerġija, karozzi, inġenji tal-ajru u tħaddim tal-mutur.
Bejn l-anodu u l-katodu, hemm elettrolit li jista 'jintuża biex imexxi joni. Ġeneralment, iċ-ċelloli tal-fjuwil jistgħu jiġu kklassifikati f'ċelloli tal-fjuwil alkali, ċelloli tal-fjuwil tal-aċidu fosforiku, ċelloli tal-fjuwil tal-melħ imdewweb bil-karbonat, ċelloli tal-fjuwil tal-ossidu solidu, ċelloli tal-fjuwil tal-membrana tal-iskambju tal-protoni, u ċelloli tal-fjuwil diretti minħabba joni differenti mwettqa fl-elettrolit jew temperaturi operattivi differenti . Sitt tipi inklużi ċelloli tal-fjuwil tal-metanol.
Ir-rata ta 'reazzjoni elettrokimika tal-karburant u l-ossidant fiċ-ċellula tal-karburant hija baxxa ħafna u għandha tiġi aċċellerata b'katalizzatur, għalhekk huma meħtieġa katalist anodu u katalizzatur katodu. Meta tieħu ċelloli tal-fjuwil tal-elettroliti tal-polimeru bħala eżempju, il-mekkaniżmu ewlieni tal-ġenerazzjoni tal-enerġija ġej mill-Assemblea tal-Elettrodu tal-Membrana (MEA), li ħafna drabi tissejjaħ il-qalba taċ-ċellula tal-fjuwil. Bażikament, il-grupp tal-membrana tal-elettrodu għandu struttura ta 'ħames saffi, b'membrana polimeru li tmexxi joni tal-idroġenu fiċ-ċentru, saff ta' katalizzatur tal-anodu u saff tal-katalist tal-katodu fuq iż-żewġ naħat, u s-saff ta 'diffużjoni tal-gass l-aktar 'il barra (spiss maqsum f'saff ta' diffużjoni tal-gass tal-fjuwil u saff tad-diffużjoni tal-ossiġnu).
L-istruttura tas-saff tal-katalist hija pjuttost kumplessa u diversa. Peress li l-bidliet elettrokimiċi l-aktar importanti jseħħu hawn, jekk is-saff tal-katalizzatur huwa ddisinjat jew manifatturat ħażin, iċ-ċellula tal-fjuwil ma tkunx tista 'tiġġenera kurrent suffiċjenti u l-effiċjenza titnaqqas. Is-saff tal-katalist huwa imdawwar bejn il-membrana tal-polimeru u s-saff tad-diffużjoni tal-gass. Il-metodu tal-manifattura huwa li tħallat b'mod uniformi ammont xieraq ta 'katalizzatur u s-soluzzjoni tal-membrana tal-polimeru. Din is-soluzzjoni mħallta tissejjaħ demel likwidu tal-katalizzatur. Id-demel likwidu mħallat jista 'jkun miksi fuq is-saff tad-diffużjoni tal-gass jew fuq il-membrana tal-polimeru. Madankollu, il-membrana tal-polimeru faċilment tassorbi s-solvent fid-demel likwidu mħallat u tiddeforma, li ħafna drabi tikkawża diffikultajiet fil-manifattura.
Issa uża s-saff tal-katalist tal-ossiġnu biex turi kif tipproċedi r-reazzjoni. Meta l-ossiġnu jidħol fiċ-ċellula tal-fjuwil, l-ewwel irid ikun imxerred sabiex jilħaq is-saff tal-katalist b'mod uniformi. Ġeneralment, il-materjal li jikkostitwixxi s-saff tad-diffużjoni tal-gass huwa drapp tal-karbonju jew karta tal-karbonju, li għandha tkun grafitizzata f'temperatura għolja biex tagħmilha konduttiva u żżid ir-reżistenza għall-korrużjoni. , minħabba li l-materjali tal-karbonju huma faċilment imsadda taħt l-influwenza ta 'kampi elettriċi.
Barra minn hekk, is-saff tad-diffużjoni tal-gass għandu wkoll ikun idrofobiku. Jekk il-polytetrafluoroethylene (PTFE, magħruf ukoll bħala Teflon) jiżdied mas-saff tad-diffużjoni tal-gass, minħabba l-proprjetajiet idrofobiċi tat-Teflon, il-fwar tal-ilma li jidħol u joħroġ mill-grupp tal-membrana tal-elettrodu mhux se Kondensazzjoni fis-saff tad-diffużjoni tal-gass jista 'jipprevjeni l-qtar tal-ilma kondensat milli jikkawża ostruzzjoni tas-saff tad-diffużjoni tal-gass. Min-naħa l-oħra, it-Teflon jaħdem ukoll bħala binder. Minħabba l-istabbiltà tal-istruttura tal-fluworokarbon tiegħu, mhux se jiġi dekostrutt minħabba l-attakk ta 'radikali ħielsa ġġenerati taħt operazzjoni potenzjali.
Il-gass ta 'reazzjoni jilħaq is-saff tal-katalizzatur wara li jgħaddi mis-saff tad-diffużjoni tal-gass, u reazzjonijiet elettrokimiċi jseħħu fuq il-wiċċ tal-metall tal-katalizzatur. Funzjoni oħra tas-saff tad-diffużjoni tal-gass hija li tmexxi l-elettroni. L-elettroni meħtieġa għar-reazzjoni jużaw is-saff tad-diffużjoni tal-gass biex jidħlu u joħorġu, għalhekk is-saff tad-diffużjoni tal-gass għandu jkun kapaċi jmexxi l-elettroni u jkollu konduttività għolja. Ġeneralment, wara li żżid it-Teflon mas-saff tad-diffużjoni tal-gass, il-konduttività tonqos, għalhekk għandu jiżdied trab tal-karbonju b'konduttività għolja biex tiżdied il-konduttività.
Il-wiċċ tal-katalist għandu jkun f'kuntatt ma 'l-elettrolit (jiġifieri, membrana konduttiva tal-protoni) minħabba li r-reazzjoni elettrokimika sseħħ fl-interface bejn it-tnejn. Il-jonji tal-idroġenu meħtieġa għar-reazzjoni huma kollha trasferiti mill-elettrolit, għalhekk kuntatt fqir bejn il-katalizzatur u l-elettrolit jaffettwa ħażin il-progress tar-reazzjoni. Jekk il-katalizzatur ma jkunx f'kuntatt ma 'l-elettrolit, il-funzjoni tiegħu tisparixxi. L-elettroni meħtieġa għar-reazzjoni kollha jidħlu u joħorġu mill-katalizzatur. Madankollu, konduttività fqira tal-katalizzatur innifsu jew kuntatt fqir bejn il-partiċelli tal-katalizzatur se jikkawżaw ukoll reżistenza għad-dħul u l-ħruġ tal-elettroni. Il-fatturi ta 'hawn fuq kollha jikkawżaw żieda fir-reżistenza fi ħdan il-grupp tal-membrana tal-elettrodu u jnaqqsu l-output tal-enerġija tal-batterija.
Meta jintużaw fiċ-ċelloli tal-fjuwil, il-katalizzaturi tal-elettrodi ġeneralment għandu jkollhom attività katalitika għolja, konduttività għolja, stabbiltà elettrokimika għolja, reżistenza għall-ossidazzjoni jew tnaqqis, prezz baxx, u sorsi abbundanti. Il-platinu huwa għali u għandu jintuża mill-inqas possibbli. Madankollu, ftit wisq se jaffettwa wkoll il-progress tar-reazzjoni. Materjali katalisti alternattivi huma wkoll wieħed mill-fokus tar-riċerka u l-iżvilupp attwali. Il-katalist tal-elettrodu huwa l-iktar materjal funzjonali importanti fl-istruttura tal-membrana tal-elettrodu, u l-funzjoni ewlenija tiegħu hija li tikkatalizza r-reazzjoni elettrokimika.
Fl-anodu, il-molekuli tal-idroġenu huma ossidizzati f'elettroni u protoni. Jekk il-metanol jiġi mitmugħ direttament, ir-reazzjoni tkun aktar ikkumplikata u għandha tkun komposta minn katalizzatur tal-elettrodu li mhux se jkun okkupat mill-prodotti adsorbiti b'mod qawwi tar-reazzjoni tal-ossidazzjoni tal-metanol fuq il-wiċċ tar-reazzjoni, bħal Ligi u ossidi biex jikkatalizzaw kontinwament il-metanol u molekuli tal-ilma biex jipproduċu elettroni, protoni u dijossidu tal-karbonju.
Il-katodu jeħtieġ katalizzatur li jista 'jnaqqas l-ossiġnu. Kumplessi tal-metall makroċikliċi li jistgħu jassorbu molekuli tal-ossiġnu huma ġeneralment użati bħala katalisti tal-elettrodi. L-assorbiment tal-wiċċ tal-molekuli tal-ossiġnu huwa l-kundizzjoni katalitika għar-reazzjoni elettrokimika tat-tnaqqis tal-ossiġnu. Il-katalizzatur jeħtieġ li jgħaqqad polimeru biex jiġi magħqud fis-saff tal-katalizzatur. Dan il-binder jista 'jkun ukoll elettrolit polimeru, li mhux biss għandu l-funzjoni li jgħaqqad il-katalizzatur, iżda huwa wkoll mod biex jittrasporta joni tal-idroġenu. Meta wieħed jieħu l-katodu tal-ossiġnu bħala eżempju, meta r-reazzjoni tipproċedi fuq il-wiċċ tal-katalizzatur, hija meħtieġa l-preżenza tal-ossiġnu. Dan l-ossiġnu mhuwiex gass, iżda ossiġnu maħlul fl-elettrolit, u l-joni tal-idroġenu wkoll jilħqu l-wiċċ tal-katalizzatur permezz tal-elettrolit, u l-elettroni jilħqu l-wiċċ tal-katalizzatur permezz tal-kuntatt bejn is-saff tad-diffużjoni tal-gass u s-saff tal-katalist. Fost dawn, l-ossiġnu maħlul, il-joni tal-idroġenu u l-elettroni huma indispensabbli, u r-reazzjoni ma tistax tipproċedi mingħajr waħda minnhom.
Min-naħa l-oħra, l-ilma prodott mir-reazzjoni ma jistax jibqa 'fuq il-wiċċ tal-katalizzatur. L-ilma prodott għandu jitneħħa immedjatament biex jagħmel spazju għar-reaġenti biex jerġgħu joqogħdu fuq il-wiċċ tal-katalizzatur. It-tluq tal-prodotti huwa wkoll wieħed mill-fatturi li jaffettwa l-veloċità tar-reazzjoni. wieħed. Il-prodott taċ-ċellula tal-karburant huwa l-ilma, allura kif tneħħi malajr l-ilma miċ-ċellula tal-karburant hija kwistjoni importanti.
Għal ċelloli tal-fjuwil tal-elettroliti polimeru li jużaw l-idroġenu bħala għalf, il-qalba ta 'operazzjoni tajba taċ-ċelloli tal-fjuwil teħtieġ l-eżistenza ta' erba 'mogħdijiet, jiġifieri kanali tal-jone tal-idroġenu, kanali tal-ossiġnu maħlul, kanali tal-elettroni u kanali tal-ilma. Jekk dawn il-mogħdijiet huma ineffettivi, se jirriżultaw f'effiċjenza mnaqqsa tal-ġenerazzjoni tal-enerġija. Għalhekk, il-manifattura ta 'munzelli tal-membrana tal-elettrodi għadha proċess tekniku. Kull manifattur tal-munzell taċ-ċelloli tal-fjuwil għandu l-metodu uniku ta 'manifattura tiegħu stess biex jipproduċi dan il-komponent ewlieni.
Il-qawwa ta 'ċellula tal-fjuwil hija ddeterminata mid-daqs tal-grupp tal-membrana tal-elettrodu u n-numru ta' gruppi tal-membrana tal-elettrodu fil-pakkett tal-batterija. Il-munzell tal-membrana tal-elettrodu huwa l-unità ċentrali taċ-ċellula tal-fjuwil tal-elettroliti tal-polimeru u komponent ewlieni tal-prestazzjoni tal-enerġija tal-munzell taċ-ċelloli tal-fjuwil. B'disinn xieraq tal-kamp tal-fluss, ġestjoni tal-ilma u kundizzjonijiet operattivi tal-ġestjoni termali, jistgħu jiġu ffurmati ċelloli tal-fjuwil għal skopijiet differenti.
Deskrizzjoni teknika tas-saff tad-diffużjoni tal-gass
Il-materjal bażiku tal-istruttura tas-saff tad-diffużjoni tal-gass taċ-ċellula tal-fjuwil tal-membrana tal-iskambju tal-protoni huwa ġeneralment prodotti tal-fibra tal-karbonju (Carbon-Fiber), bħal karta tal-karbonju (Carbon Paper) u fibra minsuġa (Woven Fiber) jew imsejħa drapp tal-karbonju (Carbon Cloths), bl-użu tal-fibra tal-karbonju bħala l-gass Il-vantaġġ tal-materjal tas-saff tad-diffużjoni huwa l-istruttura ta 'porożità għolja tiegħu u l-konduttività elettrika għolja.
L-istruttura tas-saff tad-diffużjoni tal-gass taċ-ċelluli tal-fjuwil l-aktar użata hija l-karta tal-fibra tal-karbonju. Il-proċess ġeneralment jissejjaħ il-proċess tal-produzzjoni tal-karta. Matul il-proċess, il-proprjetajiet tal-materja prima, il-konduttività u l-istabbiltà kimika tal-karta tal-karbonju għandhom ukoll jitjiebu. Il-metodu huwa li tuża karta tal-fibra tal-karbonju bħala l-bażi, żid materjali komposti tal-karbonju, ħawwad u trattament bis-sħana. Fil-proċess, materja prima intermedja xierqa tista 'tiġi miżjuda wkoll u l-istess karta tal-karbonju tista' tiġi żviluppata bil-karatteristiċi użati.
Qabel l-istadju tal-produzzjoni tal-karta tal-karta tal-karbonju, il-fibri tal-filament kontinwi għandhom jinqatgħu f'segmenti tal-fibra qosra bejn 3 ~ 12mm. Il-proċess wara l-iffurmar tas-segmenti tal-fibra qosra huwa maqsum f'1. Papermaking, 2. Impregnation b'reżina komposta, 3. Sħana Press forming, 4. trattament ta 'karbonizzazzjoni u 5. trattament ta' grafitizzazzjoni.
Il-manifatturi tal-karta tal-karbonju li bħalissa jistgħu jintużaw fis-saffi tad-diffużjoni tal-gass taċ-ċelluli tal-fjuwil jinkludu TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, iċ-Ċina Taiwan Carbon Energy u kumpaniji oħra. Il-metodu ta 'produzzjoni ġenerali ta' saff mikroporuż (MPL) huwa li l-ewwel tuża oxxillatur ultrasoniku biex tħallat u tħawwad dawn il-komponenti, u finalment tagħmel demel likwidu (Linka), u mbagħad tuża teknoloġija tal-kisi (bħal metodu ta 'bexx, metodu ta' xafra tat-tabib) , metodu tal-istampar tal-iskrin) Id-demel likwidu huwa miksi fuq il-wiċċ tal-karta tal-karbonju, u mbagħad is-saff mikroporuż jista 'jinkiseb permezz ta' sinterizzazzjoni f'temperatura għolja. Il-manifatturi tal-karta tal-karbonju jipprovdu wkoll prodotti kompluti miksija b'saffi mikroporużi lill-klijenti. Is-saffi tad-diffużjoni tal-gass (GDL) għandhom ħafna rwoli u funzjonijiet fiċ-ċelloli tal-fjuwil, bħal:
(1) Ipprovdi kanali tal-gass ta 'reazzjoni (H2, O2).
(2) Ipprovdi kanal għal prodotti ta 'reazzjoni (ilma, sħana) biex iħallu s-saff tal-katalizzatur
(3) Ipprovdi kanali ta 'dħul u ħruġ għal elettroni ta' reazzjoni elettrokimika
(4) Jaġixxi bħala appoġġ strutturali għas-saff tal-katalist u l-korp tal-membrana tal-iskambju tal-protoni
Mill-karatteristiċi ta 'hawn fuq, wieħed jista' jara li s-saff tad-diffużjoni tal-gass (GDL) għandu jkollu proprjetajiet bħal konduttività elettrika, konduttività termali, porożità, permeabilità tal-arja, u proprjetajiet idrofiliċi/idrofobiċi fl-istess ħin. Bħalissa, l-uniċi fornituri materjali għal saffi tad-diffużjoni tal-gass taċ-ċelluli tal-fjuwil fid-dinja huma Toray, Ballard, Avcarb, SGL, u Taiwan Carbon Energy. Madankollu, il-prezz tal-unità huwa għoli ħafna u d-domanda ħafna drabi tkun fil-provvista qasira. Għalhekk, jekk ikun hemm teknoloġija innovattiva, tista 'tnaqqas l-ispejjeż u tikseb riżultati ekonomiċi. Il-produzzjoni ta 'dan il-materjal ewlieni fuq skala jiswa l-investiment f'din it-teknoloġija.
Is-saff tad-diffużjoni tal-gass huwa l-komponent ewlieni tal-PEMFC, u s-saff tad-diffużjoni tal-gass huwa materjal komponent importanti tal-elettrodu. Materjali tas-saff tad-diffużjoni tal-gass użati b'mod komuni jinkludu karta tal-fibra tal-karbonju, drapp minsuġ tal-fibra tal-karbonju, drapp mhux minsuġ u karta sewda tal-karbonju. Imma xi wħud jużaw ukoll materjali tal-metall, bħal nikil tal-metall tal-malji tal-isponoż ċatt tal-metall.
Il-karta tal-fibra tal-karbonju hija materjal ta 'saff ta' diffużjoni tal-gass użat ħafna fl-elettrodi. Biex tintuża f'PEMFC, trid tissodisfa r-rekwiżiti ta' prestazzjoni li ġejjin:
(1) Struttura poruża uniformi tagħtiha nifs eċċellenti;
(2) Reżistività baxxa, li tagħtiha konduttività elettronika għolja;
(3) L-istruttura hija kompatta u l-wiċċ huwa ċatt, tnaqqas ir-reżistenza tal-kuntatt u ttejjeb il-prestazzjoni konduttiva;
(4) Għandu ċerta saħħa mekkanika, li hija konvenjenti għall-produzzjoni ta 'elettrodi u tipprovdi stabbiltà tal-istruttura tal-elettrodu taħt kundizzjonijiet operattivi fit-tul;
(5) Għandu stabbiltà kimika u stabbiltà termali; spiża baxxa tal-manifattura u valur CP għoli.