막 전극은 연료 전지의 핵심 성분으로, 이종 물질의 수송 및 전기 화학적 반응을 통합하여 양성자 교환 막 연료 전지의 성능, 수명 및 비용을 직접 결정한다. 양쪽의 막 전극 및 바이폴라 플레이트는 함께 단일 연료 전지를 형성하고, 다수의 단일 셀의 조합은 연료 전지 스택을 형성하여 다양한 전력 출력 요구 사항을 충족시킬 수있다. MEA 구조, 재료 선택 및 제조 공정 최적화의 설계 및 최적화는 항상 PEMFC 연구의 초점이었습니다. PEMFC의 개발 과정에서, 막 전극 기술은 주로 세 가지 유형의 혁신을 겪었으며, 주로 GDE 핫 프레스 방법, 하나의 막 전극에서 CCM 3 및 순서 막 전극의 세 가지 유형으로 나뉩니다.
1. GDE 뜨거운 프레스 필름 전극
1 세대 MEA 준비 기술은 핫 프레스 방법을 사용하여 "GDE"구조로 알려진 MEA를 얻기 위해 PEM의 양쪽에 CL로 코팅 된 음극 및 양극 GDLS를 압축했습니다.
GDE 유형 MEA의 제조 과정은 GDL에서 균일하게 코팅되는 촉매 덕분에 실제로 비교적 간단합니다. 이 디자인은 MEA에서 모공의 형성을 촉진 할뿐만 아니라 PEM을 변형으로부터 영리하게 보호합니다. 그러나이 과정은 완벽하지 않습니다. GDL에서 코팅 된 촉매의 양을 정확하게 제어 할 수없는 경우, 촉매 슬러리는 GDL에 침투 할 수있어 일부 촉매가 효율성을 완전히 발휘하지 못하고 활용률은 20%로 낮아서 MEA의 제조 비용을 크게 증가시킬 수 있습니다.
GDL에서의 촉매 코팅과 PEM의 확장 시스템 사이의 불일치로 인해,이 둘 사이의 인터페이스는 장기 작동 동안 박리되기 쉽다. 이는 연료 전지의 내부 접촉 저항이 증가 할뿐만 아니라 이상적인 수준에 도달하는 것과는 거리가 멀어 MEA의 전반적인 성능을 크게 줄입니다. GDE 구조에 기초한 MEA의 준비 과정은 기본적으로 제거되었으며, 이에주의를 기울인 사람은 거의 없습니다.
2. 하나의 멤브레인 전극에서 CCM 3
롤 롤 직접 코팅, 스크린 인쇄 및 스프레이 코팅과 같은 방법을 사용함으로써, 촉매, 나 피온으로 구성된 슬러리는 양성자 교환 막의 양쪽에 직접 코팅되어 MEA를 얻습니다.
GDE 유형 MEA 준비 방법과 비교하여, CCM 유형은 더 나은 성능을 가지며, 껍질을 벗기기 쉽지 않으며, 촉매 층과 PEM 사이의 전달 저항을 감소시켜 양성자에서 양성자의 확산 및 움직임을 개선하는데 유리하다. 촉매 층, 촉매 층 및 PEM을 촉진한다. 이들 사이의 양성자의 접촉 및 전이는 양성자 전달의 저항을 감소시켜 MEA의 성능을 크게 향상시킨다. MEA에 대한 연구는 GDE 유형에서 CCM 유형으로 이동했습니다. 또한, CCM 유형 MEA의 상대적으로 낮은 PT 로딩으로 인해 MEA의 전체 비용이 줄어들고 활용률이 크게 향상됩니다. CCM 유형 MEA의 단점은 연료 전지의 작동 중에 물 홍수가 발생하기 쉽다는 것입니다. 주된 이유는 MEA 촉매층에 소수성 제제가없고 가스 채널이 적고 가스 및 물의 투과 저항이 비교적 높기 때문입니다. 따라서, 가스 및 물의 투과 저항을 감소시키기 위해, 촉매층의 두께는 일반적으로 10 μm보다 크지 않다.
탁월한 포괄적 인 성능으로 인해 CCM 유형 MEA는 자동차 연료 전지 분야에서 상용화되었습니다. 예를 들어, Toyota Mirai, Honda Clarity 등. 중국 Wuhan University of Technology가 개발 한 CCM 유형 MEA는 연료 전지 지게차에 사용하기 위해 미국의 전력을 막기 위해 수출되었습니다. Dalian Xinyuan Power가 개발 한 CCM 유형 MEA는 트럭에 적용되었으며 백금 기반 귀금속 하중 용량은 0.4mgpt/cm2입니다. 전력 밀도는 0.96W/cm2에 도달합니다. 동시에 Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Shanghai Jiao Tong University 및 Dalian Institute of Chemical Physics와 같은 회사와 대학도 고성능 CCM 유형 측정을 개발하고 있습니다. Komu, Gore와 같은 외국 기업
3. 순서 막 전극
GDE 타입 MEA 및 CCM 유형 MEA의 촉매 층은 촉매 및 전해질 용액과 혼합되어 촉매 슬러리를 형성 한 후 코팅된다. 효율은 매우 낮고 상당한 분극 현상이 있으며, 이는 MEA의 고전류 배출에 도움이되지 않습니다. 또한, MEA의 백금 하중은 비교적 높다. 고성능, 장기 및 저비용 측정의 개발은 관심의 초점이되었습니다. 순서 대상 MEA의 PT 이용률은 매우 높으며 MEA 비용을 효과적으로 감소시키는 동시에 양성자, 전자, 가스, 물 및 기타 물질의 효율적인 수송을 달성하여 PEMFC의 포괄적 인 성능을 향상시킵니다.
정렬 된 막 전극은 탄소 나노 튜브에 기초한 정렬 된 막 전극, 촉매 박막에 기초한 정렬 된 막 전극 및 양성자 도체에 기초한 정렬 된 막 전극을 포함한다.
탄소 나노 튜브 기반 정렬 막 전극
탄소 나노 튜브의 흑연 격자 특성은 높은 전위에 내성이 있으며, PT 입자와의 상호 작용 및 탄성은 PT 입자의 촉매 활성을 향상시킨다. 지난 10 년 동안, 수직으로 정렬 된 탄소 나노 튜브 (VACNT)에 기초한 박막이 개발되었습니다. 전극. 수직 배열 메커니즘은 가스 확산층, 배수 용량 및 PT 사용 효율을 향상시킵니다.
VACNT는 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 하나는 곡선 및 희소 탄소 나노 튜브로 구성된 VACNT입니다. 다른 유형은 직선적이고 조밀 한 탄소 나노 튜브로 구성된 중공 탄소 나노 튜브입니다.
촉매 박막에 기초한 정렬 된 막 전극
촉매 박막의 순서는 주로 PT 나노 튜브, PT 나노 와이어 등과 같은 PT 나노 순서 구조를 지칭합니다. 그 중 촉매 주문 막 전극의 대표자는 3M 회사의 상용 제품인 NSTF입니다. 전통적인 PT/C 촉매와 비교하여 NSTF는 4 가지 주요 특성을 갖습니다. 촉매 담체는 정렬 된 유기 수염입니다. 촉매는 유기체와 같은 수염에 PT 기반 합금 박막을 형성하고; 촉매 층에는 탄소 캐리어가 없으며; NSTF 촉매 층의 두께는 1UM 미만이다.
양성자 도체에 기초한 정렬 된 막 전극
양성자 도체가 정렬 된 막 전극의 주요 기능은 촉매 층에서 효율적인 양성자 수송을 촉진하기 위해 나노 와이어 중합체 물질을 도입하는 것이다. Yu와 다른 사람들. TIO2 나노 튜브 어레이 (TNT)의 TIO2/TI 구조를 티타늄 시트상에서 제조 한 후 수소 대기에서 어닐링하여 H-TNT를 얻었다. PT PD 입자를 SNCL2 감작 및 변위 방법을 사용하여 H-TNT의 표면상에서 제조하여 고출력 밀도 연료 전지를 생성 하였다.
Tsinghua University의 원자력 과학 연구소와 자동차 공학부는 Nafion 나노 와이어의 빠른 양성자 전도 기능을 기반으로 처음으로 새로운 순서 촉매층을 합성했습니다. 그것은 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다. Nafion 나노로드는 양성자 교환 막에서 현장에서 성장하고 인터페이스 접촉 저항은 0으로 감소됩니다. 촉매 및 전자 전도 기능과 함께 Nafion 나노로드상에서 Pt 입자 촉매 층의 증착; Nafion 나노로드는 빠른 양성자 전도도를 가지고 있습니다.
정렬 된 막 전극은 의심 할 여지없이 차세대 막 전극 제조 기술의 주요 방향입니다. 백금 그룹 요소의 하중을 감소시키는 반면, 5 가지 측면을 더 고려해야합니다. 순서 대형 막 전극은 불순물에 매우 민감합니다. 재료 최적화, 특성화 및 모델링을 통해 멤브레인 전극의 작동 범위를 확장합니다. 빠른 양성자 도체 나노 구조를 촉매 층에 도입하고; 저렴한 대량 생산 공정 개발; 막 전극 양성자 교환 막, 전기 촉매 및 가스 확산 층 사이의 상호 작용 및 상승 효과에 대한 깊이 연구.
막 전극 제조 기술 및 초음파 분무 방법의 장점 :
(1) 초음파 노즐 파워 및 주파수와 같은 파라미터를 최적화함으로써, 분무 된 촉매 슬러리는 작은 반동을 가질 수 있고 과도하게 뿌려 질 수 있으므로 촉매의 활용률을 향상시킬 수있다.
(2) 초음파 진동 막대는 촉매 입자를 높게 분산시키고, 초음파 분산 인젝터는 촉매 슬러리에 2 차 교반 효과를 가지며 백금 화학적 오염의 가능성을 크게 감소시킨다;
(3) 작동하기 쉽고 고도로 자동화되며 막 전극의 질량 생산에 적합합니다.
막 전극은 연료 전지의 핵심 성분으로, 이종 물질의 수송 및 전기 화학적 반응을 통합하여 양성자 교환 막 연료 전지의 성능, 수명 및 비용을 직접 결정한다. 양쪽의 막 전극 및 바이폴라 플레이트는 함께 단일 연료 전지를 형성하고, 다수의 단일 셀의 조합은 연료 전지 스택을 형성하여 다양한 전력 출력 요구 사항을 충족시킬 수있다. MEA 구조, 재료 선택 및 제조 공정 최적화의 설계 및 최적화는 항상 PEMFC 연구의 초점이었습니다. PEMFC의 개발 과정에서, 막 전극 기술은 주로 세 가지 유형의 혁신을 겪었으며, 주로 GDE 핫 프레스 방법, 하나의 막 전극에서 CCM 3 및 순서 막 전극의 세 가지 유형으로 나뉩니다.
1. GDE 뜨거운 프레스 필름 전극
1 세대 MEA 준비 기술은 핫 프레스 방법을 사용하여 "GDE"구조로 알려진 MEA를 얻기 위해 PEM의 양쪽에 CL로 코팅 된 음극 및 양극 GDLS를 압축했습니다.
GDE 유형 MEA의 제조 과정은 GDL에서 균일하게 코팅되는 촉매 덕분에 실제로 비교적 간단합니다. 이 디자인은 MEA에서 모공의 형성을 촉진 할뿐만 아니라 PEM을 변형으로부터 영리하게 보호합니다. 그러나이 과정은 완벽하지 않습니다. GDL에서 코팅 된 촉매의 양을 정확하게 제어 할 수없는 경우, 촉매 슬러리는 GDL에 침투 할 수있어 일부 촉매가 효율성을 완전히 발휘하지 못하고 활용률은 20%로 낮아서 MEA의 제조 비용을 크게 증가시킬 수 있습니다.
GDL에서의 촉매 코팅과 PEM의 확장 시스템 사이의 불일치로 인해,이 둘 사이의 인터페이스는 장기 작동 동안 박리되기 쉽다. 이는 연료 전지의 내부 접촉 저항이 증가 할뿐만 아니라 이상적인 수준에 도달하는 것과는 거리가 멀어 MEA의 전반적인 성능을 크게 줄입니다. GDE 구조에 기초한 MEA의 준비 과정은 기본적으로 제거되었으며, 이에주의를 기울인 사람은 거의 없습니다.
2. 하나의 멤브레인 전극에서 CCM 3
롤 롤 직접 코팅, 스크린 인쇄 및 스프레이 코팅과 같은 방법을 사용함으로써, 촉매, 나 피온으로 구성된 슬러리는 양성자 교환 막의 양쪽에 직접 코팅되어 MEA를 얻습니다.
GDE 유형 MEA 준비 방법과 비교하여, CCM 유형은 더 나은 성능을 가지며, 껍질을 벗기기 쉽지 않으며, 촉매 층과 PEM 사이의 전달 저항을 감소시켜 양성자에서 양성자의 확산 및 움직임을 개선하는데 유리하다. 촉매 층, 촉매 층 및 PEM을 촉진한다. 이들 사이의 양성자의 접촉 및 전이는 양성자 전달의 저항을 감소시켜 MEA의 성능을 크게 향상시킨다. MEA에 대한 연구는 GDE 유형에서 CCM 유형으로 이동했습니다. 또한, CCM 유형 MEA의 상대적으로 낮은 PT 로딩으로 인해 MEA의 전체 비용이 줄어들고 활용률이 크게 향상됩니다. CCM 유형 MEA의 단점은 연료 전지의 작동 중에 물 홍수가 발생하기 쉽다는 것입니다. 주된 이유는 MEA 촉매층에 소수성 제제가없고 가스 채널이 적고 가스 및 물의 투과 저항이 비교적 높기 때문입니다. 따라서, 가스 및 물의 투과 저항을 감소시키기 위해, 촉매층의 두께는 일반적으로 10 μm보다 크지 않다.
탁월한 포괄적 인 성능으로 인해 CCM 유형 MEA는 자동차 연료 전지 분야에서 상용화되었습니다. 예를 들어, Toyota Mirai, Honda Clarity 등. 중국 Wuhan University of Technology가 개발 한 CCM 유형 MEA는 연료 전지 지게차에 사용하기 위해 미국의 전력을 막기 위해 수출되었습니다. Dalian Xinyuan Power가 개발 한 CCM 유형 MEA는 트럭에 적용되었으며 백금 기반 귀금속 하중 용량은 0.4mgpt/cm2입니다. 전력 밀도는 0.96W/cm2에 도달합니다. 동시에 Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Shanghai Jiao Tong University 및 Dalian Institute of Chemical Physics와 같은 회사와 대학도 고성능 CCM 유형 측정을 개발하고 있습니다. Komu, Gore와 같은 외국 기업
3. 순서 막 전극
GDE 타입 MEA 및 CCM 유형 MEA의 촉매 층은 촉매 및 전해질 용액과 혼합되어 촉매 슬러리를 형성 한 후 코팅된다. 효율은 매우 낮고 상당한 분극 현상이 있으며, 이는 MEA의 고전류 배출에 도움이되지 않습니다. 또한, MEA의 백금 하중은 비교적 높다. 고성능, 장기 및 저비용 측정의 개발은 관심의 초점이되었습니다. 순서 대상 MEA의 PT 이용률은 매우 높으며 MEA 비용을 효과적으로 감소시키는 동시에 양성자, 전자, 가스, 물 및 기타 물질의 효율적인 수송을 달성하여 PEMFC의 포괄적 인 성능을 향상시킵니다.
정렬 된 막 전극은 탄소 나노 튜브에 기초한 정렬 된 막 전극, 촉매 박막에 기초한 정렬 된 막 전극 및 양성자 도체에 기초한 정렬 된 막 전극을 포함한다.
탄소 나노 튜브 기반 정렬 막 전극
탄소 나노 튜브의 흑연 격자 특성은 높은 전위에 내성이 있으며, PT 입자와의 상호 작용 및 탄성은 PT 입자의 촉매 활성을 향상시킨다. 지난 10 년 동안, 수직으로 정렬 된 탄소 나노 튜브 (VACNT)에 기초한 박막이 개발되었습니다. 전극. 수직 배열 메커니즘은 가스 확산층, 배수 용량 및 PT 사용 효율을 향상시킵니다.
VACNT는 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 하나는 곡선 및 희소 탄소 나노 튜브로 구성된 VACNT입니다. 다른 유형은 직선적이고 조밀 한 탄소 나노 튜브로 구성된 중공 탄소 나노 튜브입니다.
촉매 박막에 기초한 정렬 된 막 전극
촉매 박막의 순서는 주로 PT 나노 튜브, PT 나노 와이어 등과 같은 PT 나노 순서 구조를 지칭합니다. 그 중 촉매 주문 막 전극의 대표자는 3M 회사의 상용 제품인 NSTF입니다. 전통적인 PT/C 촉매와 비교하여 NSTF는 4 가지 주요 특성을 갖습니다. 촉매 담체는 정렬 된 유기 수염입니다. 촉매는 유기체와 같은 수염에 PT 기반 합금 박막을 형성하고; 촉매 층에는 탄소 캐리어가 없으며; NSTF 촉매 층의 두께는 1UM 미만이다.
양성자 도체에 기초한 정렬 된 막 전극
양성자 도체가 정렬 된 막 전극의 주요 기능은 촉매 층에서 효율적인 양성자 수송을 촉진하기 위해 나노 와이어 중합체 물질을 도입하는 것이다. Yu와 다른 사람들. TIO2 나노 튜브 어레이 (TNT)의 TIO2/TI 구조를 티타늄 시트상에서 제조 한 후 수소 대기에서 어닐링하여 H-TNT를 얻었다. PT PD 입자를 SNCL2 감작 및 변위 방법을 사용하여 H-TNT의 표면상에서 제조하여 고출력 밀도 연료 전지를 생성 하였다.
Tsinghua University의 원자력 과학 연구소와 자동차 공학부는 Nafion 나노 와이어의 빠른 양성자 전도 기능을 기반으로 처음으로 새로운 순서 촉매층을 합성했습니다. 그것은 다음과 같은 특성을 가지고 있습니다. Nafion 나노로드는 양성자 교환 막에서 현장에서 성장하고 인터페이스 접촉 저항은 0으로 감소됩니다. 촉매 및 전자 전도 기능과 함께 Nafion 나노로드상에서 Pt 입자 촉매 층의 증착; Nafion 나노로드는 빠른 양성자 전도도를 가지고 있습니다.
정렬 된 막 전극은 의심 할 여지없이 차세대 막 전극 제조 기술의 주요 방향입니다. 백금 그룹 요소의 하중을 감소시키는 반면, 5 가지 측면을 더 고려해야합니다. 순서 대형 막 전극은 불순물에 매우 민감합니다. 재료 최적화, 특성화 및 모델링을 통해 멤브레인 전극의 작동 범위를 확장합니다. 빠른 양성자 도체 나노 구조를 촉매 층에 도입하고; 저렴한 대량 생산 공정 개발; 막 전극 양성자 교환 막, 전기 촉매 및 가스 확산 층 사이의 상호 작용 및 상승 효과에 대한 깊이 연구.
막 전극 제조 기술 및 초음파 분무 방법의 장점 :
(1) 초음파 노즐 파워 및 주파수와 같은 파라미터를 최적화함으로써, 분무 된 촉매 슬러리는 작은 반동을 가질 수 있고 과도하게 뿌려 질 수 있으므로 촉매의 활용률을 향상시킬 수있다.
(2) 초음파 진동 막대는 촉매 입자를 높게 분산시키고, 초음파 분산 인젝터는 촉매 슬러리에 2 차 교반 효과를 가지며 백금 화학적 오염의 가능성을 크게 감소시킨다;
(3) 작동하기 쉽고 고도로 자동화되며 막 전극의 질량 생산에 적합합니다.
