Về cơ bản, pin nhiên liệu là thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Không cần sạc thêm. Chỉ cần nhiên liệu và chất oxy hóa được bổ sung liên tục, pin có thể tiếp tục hoạt động và tạo ra điện. Nhiên liệu và chất oxy hóa được bổ sung không trải qua phản ứng đốt cháy, mà là phản ứng điện hóa giữa nhiên liệu và chất oxy hóa để tạo ra dòng điện.
Do đó, phản ứng điện hóa như vậy đi kèm với sự truyền điện tích do phản ứng hóa học. Electron và ion hoàn thành việc truyền điện tích thông qua các đường phản ứng khác nhau. Trong quá trình phản ứng của pin nhiên liệu, nhiên liệu và chất oxy hóa không thể trộn lẫn với nhau mà đi vào pin nhiên liệu riêng biệt và phản ứng riêng lẻ tại cực dương và cực âm của pin.
Nhiên liệu tạo ra các electron sau phản ứng điện hóa. Các electron chảy đến điện cực khác thông qua điện cực và mạch ngoài để phản ứng với chất oxy hóa. Sau khi chất oxy hóa chấp nhận các electron, nó phản ứng và dẫn các ion qua chất điện phân trong pin, tạo thành mạch cho hoạt động của electron.
Đơn vị lõi của một pin nhiên liệu thông thường bao gồm ba thành phần cơ bản: anode, catot và chất điện phân giữa hai điện cực. Thông thường hydro được sử dụng làm nhiên liệu và oxy được sử dụng làm chất oxy hóa. Nhiên liệu được oxy hóa ở anode và oxy được khử ở catot. Pin nhiên liệu bao gồm các đơn vị lõi như vậy được kết nối nối tiếp để tạo thành một bộ pin lớn hơn, hoặc được gọi là ngăn xếp pin.
Nói chung, chất oxy hóa có thể là oxy trong không khí, và các ion hydro và electron được sử dụng làm nhiên liệu đến từ cực dương, và chất điện phân dẫn các ion hydro. Sau khi các ion hydro được tạo ra ở cực dương, chúng đến cực âm thông qua chất điện phân. Sau khi các electron được tạo ra ở cực dương, chúng đi vào các vật dụng điện được sử dụng thông qua mạch bên ngoài pin, sau đó trở về cực âm của pin thông qua đầu kia của mạch điện. Khi các electron chảy qua thiết bị điện được tải, thiết bị điện có thể hoạt động, chẳng hạn như phát điện, ô tô, máy bay và hoạt động của động cơ.
Giữa anot và catot có một chất điện phân có thể được sử dụng để dẫn ion. Nhìn chung, pin nhiên liệu có thể được phân loại thành pin nhiên liệu kiềm, pin nhiên liệu axit photphoric, pin nhiên liệu muối nóng chảy cacbonat, pin nhiên liệu oxit rắn, pin nhiên liệu màng trao đổi proton và pin nhiên liệu trực tiếp do các ion khác nhau được dẫn trong chất điện phân hoặc nhiệt độ hoạt động khác nhau. Sáu loại bao gồm pin nhiên liệu methanol.
Tốc độ phản ứng điện hóa của nhiên liệu và chất oxy hóa trong pin nhiên liệu rất thấp và phải được tăng tốc bởi chất xúc tác, do đó cần có chất xúc tác anot và chất xúc tác catot. Lấy pin nhiên liệu điện phân polyme làm ví dụ, cơ chế tạo điện chính đến từ cụm điện cực màng (MEA), thường được gọi là trái tim của pin nhiên liệu. Về cơ bản, nhóm màng điện cực có cấu trúc năm lớp, với màng polyme dẫn ion hydro ở giữa, lớp xúc tác anot và lớp xúc tác catot ở cả hai bên, và lớp khuếch tán khí ngoài cùng (thường được chia thành lớp khuếch tán khí nhiên liệu và lớp khuếch tán oxy).
Cấu trúc của lớp xúc tác khá phức tạp và đa dạng. Vì những thay đổi điện hóa quan trọng nhất xảy ra ở đây, nếu lớp xúc tác được thiết kế hoặc sản xuất kém, pin nhiên liệu sẽ không thể tạo ra đủ dòng điện và hiệu suất sẽ giảm. Lớp xúc tác được kẹp giữa màng polyme và lớp khuếch tán khí. Phương pháp sản xuất là trộn đều một lượng xúc tác thích hợp và dung dịch của màng polyme. Dung dịch hỗn hợp này được gọi là bùn xúc tác. Bùn hỗn hợp có thể được phủ trên lớp khuếch tán khí hoặc trên màng polyme. Tuy nhiên, màng polyme dễ hấp thụ dung môi trong bùn hỗn hợp và bị biến dạng, điều này thường gây ra khó khăn trong sản xuất.
Bây giờ sử dụng lớp xúc tác oxy để minh họa cách phản ứng diễn ra. Khi oxy đi vào pin nhiên liệu, trước tiên nó phải được phân tán để tiếp cận đều lớp xúc tác. Nói chung, vật liệu cấu thành lớp khuếch tán khí là vải carbon hoặc giấy carbon, phải được than hóa ở nhiệt độ cao để làm cho nó dẫn điện và tăng khả năng chống ăn mòn. , vì vật liệu carbon dễ bị ăn mòn dưới tác động của trường điện.
Hơn nữa, lớp khuếch tán khí cũng phải kỵ nước. Nếu polytetrafluoroethylene (PTFE, còn gọi là Teflon) được thêm vào lớp khuếch tán khí, do đặc tính kỵ nước của Teflon, hơi nước đi vào và thoát ra khỏi nhóm màng điện cực sẽ không Ngưng tụ trong lớp khuếch tán khí có thể ngăn các giọt nước ngưng tụ gây tắc nghẽn lớp khuếch tán khí. Mặt khác, Teflon cũng hoạt động như một chất kết dính. Do cấu trúc fluorocarbon ổn định, nó sẽ không bị phân hủy do sự tấn công của các gốc tự do được tạo ra trong quá trình vận hành tiềm năng.
Khí phản ứng đi qua lớp khuếch tán khí đến lớp xúc tác, phản ứng điện hóa xảy ra trên bề mặt kim loại xúc tác. Một chức năng khác của lớp khuếch tán khí là dẫn electron. Các electron cần thiết cho phản ứng sử dụng lớp khuếch tán khí để vào và ra, do đó lớp khuếch tán khí phải có khả năng dẫn electron và có độ dẫn điện cao. Nói chung, sau khi thêm Teflon vào lớp khuếch tán khí, độ dẫn điện sẽ giảm, do đó cần thêm bột carbon có độ dẫn điện cao để tăng độ dẫn điện.
Bề mặt chất xúc tác phải tiếp xúc với chất điện phân (tức là màng dẫn proton) vì phản ứng điện hóa xảy ra tại giao diện giữa hai chất này. Các ion hydro cần thiết cho phản ứng đều được chất điện phân chuyển đi, do đó, tiếp xúc kém giữa chất xúc tác và chất điện phân sẽ ảnh hưởng xấu đến tiến trình của phản ứng. Nếu chất xúc tác không tiếp xúc với chất điện phân, chức năng của nó sẽ biến mất. Các electron cần thiết cho phản ứng đều đi vào và đi ra qua chất xúc tác. Tuy nhiên, độ dẫn điện kém của chính chất xúc tác hoặc tiếp xúc kém giữa các hạt chất xúc tác cũng sẽ gây ra sự cản trở sự đi vào và đi ra của các electron. Tất cả các yếu tố trên đều gây ra sự gia tăng điện trở trong nhóm màng điện cực và làm giảm công suất đầu ra của pin.
Khi sử dụng trong pin nhiên liệu, chất xúc tác điện cực thường phải có hoạt tính xúc tác cao, độ dẫn điện cao, độ ổn định điện hóa cao, khả năng chống oxy hóa hoặc khử, giá thành thấp và nguồn cung dồi dào. Bạch kim đắt tiền và nên sử dụng càng ít càng tốt. Tuy nhiên, quá ít cũng sẽ ảnh hưởng đến tiến trình của phản ứng. Vật liệu xúc tác thay thế cũng là một trong những trọng tâm của nghiên cứu và phát triển hiện nay. Chất xúc tác điện cực là vật liệu chức năng quan trọng nhất trong cấu trúc màng điện cực và chức năng chính của nó là xúc tác phản ứng điện hóa.
Tại anot, các phân tử hydro bị oxy hóa thành electron và proton. Nếu methanol được đưa trực tiếp, phản ứng sẽ phức tạp hơn và phải bao gồm một chất xúc tác điện cực không bị chiếm giữ bởi các sản phẩm hấp phụ mạnh của phản ứng oxy hóa methanol trên bề mặt phản ứng, chẳng hạn như hợp kim và oxit để liên tục xúc tác các phân tử methanol và nước để tạo ra electron, proton và carbon dioxide.
Catốt cần một chất xúc tác có thể khử oxy. Các phức chất kim loại vòng lớn có thể hấp phụ các phân tử oxy thường được sử dụng làm chất xúc tác điện cực. Sự hấp phụ bề mặt của các phân tử oxy là điều kiện xúc tác cho phản ứng điện hóa khử oxy. Chất xúc tác cần một chất kết dính polyme được liên kết trong lớp xúc tác. Chất kết dính này cũng có thể là chất điện phân polyme, không chỉ có chức năng liên kết chất xúc tác mà còn là một cách để vận chuyển các ion hydro. Lấy catốt oxy làm ví dụ, khi phản ứng diễn ra trên bề mặt chất xúc tác, cần có sự hiện diện của oxy. Oxy này không phải là khí, mà là oxy hòa tan trong chất điện phân và các ion hydro cũng đến bề mặt chất xúc tác thông qua chất điện phân và các electron đến bề mặt chất xúc tác thông qua tiếp xúc giữa lớp khuếch tán khí và lớp xúc tác. Trong số đó, oxy hòa tan, các ion hydro và electron là không thể thiếu và phản ứng không thể tiến hành nếu thiếu một trong số chúng.
Mặt khác, nước sinh ra từ phản ứng không thể ở lại trên bề mặt chất xúc tác. Nước sinh ra phải được loại bỏ ngay lập tức để tạo chỗ cho các chất phản ứng lắng lại trên bề mặt chất xúc tác. Sự ra đi của các sản phẩm cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. 1. Sản phẩm của pin nhiên liệu là nước, vì vậy làm thế nào để loại bỏ nước nhanh chóng khỏi pin nhiên liệu là một vấn đề quan trọng.
Đối với pin nhiên liệu điện phân polyme sử dụng hydro làm nguồn cấp, cốt lõi của hoạt động pin nhiên liệu tốt đòi hỏi phải có bốn đường dẫn, cụ thể là kênh ion hydro, kênh oxy hòa tan, kênh electron và kênh nước. Nếu các đường dẫn này không hiệu quả, chúng sẽ làm giảm hiệu suất phát điện. Do đó, việc sản xuất các ngăn xếp màng điện cực vẫn là một quy trình kỹ thuật. Mỗi nhà sản xuất ngăn xếp pin nhiên liệu có phương pháp sản xuất riêng để sản xuất thành phần chính này.
Công suất của pin nhiên liệu được xác định bởi kích thước của nhóm màng điện cực và số lượng nhóm màng điện cực trong bộ pin. Bộ màng điện cực là đơn vị cốt lõi của pin nhiên liệu điện phân polyme và là thành phần chính của hiệu suất năng lượng của bộ pin nhiên liệu. Với thiết kế trường dòng chảy thích hợp, quản lý nước và điều kiện vận hành quản lý nhiệt, pin nhiên liệu cho các mục đích khác nhau có thể được hình thành.
Mô tả kỹ thuật lớp khuếch tán khí
Vật liệu cơ bản của cấu trúc lớp khuếch tán khí của pin nhiên liệu màng trao đổi proton thường là các sản phẩm sợi carbon (Carbon-Fiber), chẳng hạn như giấy carbon (Carbon Paper) và sợi dệt (Woven Fiber) hay còn gọi là vải carbon (Carbon Cloths), sử dụng sợi carbon làm chất khí. Ưu điểm của vật liệu lớp khuếch tán là cấu trúc có độ xốp cao và độ dẫn điện cao.
Cấu trúc lớp khuếch tán khí của pin nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất là giấy sợi carbon. Quá trình này thường được gọi là quá trình sản xuất giấy. Trong quá trình này, các đặc tính nguyên liệu thô, độ dẫn điện và độ ổn định hóa học của giấy carbon cũng phải được cải thiện. Phương pháp là sử dụng giấy sợi carbon làm cơ sở, thêm vật liệu composite carbon, trộn và xử lý nhiệt. Trong quá trình này, cũng có thể thêm các nguyên liệu thô trung gian thích hợp và có thể phát triển cùng một loại giấy carbon với các đặc tính đã sử dụng.
Trước khi vào công đoạn làm giấy than, sợi liên tục phải được cắt thành các đoạn sợi ngắn từ 3~12mm. Quá trình sau khi tạo thành các đoạn sợi ngắn được chia thành 1. Làm giấy, 2. Tẩm nhựa tổng hợp, 3. Tạo hình ép nhiệt, 4. Xử lý cacbon hóa và 5. Xử lý than hóa.
Các nhà sản xuất giấy than hiện có thể được sử dụng trong các lớp khuếch tán khí của pin nhiên liệu bao gồm TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy và các công ty khác. Phương pháp sản xuất chung của lớp vi xốp (MPL) là trước tiên sử dụng máy dao động siêu âm để trộn và khuấy các thành phần này, và cuối cùng tạo thành hỗn hợp lỏng (Mực), sau đó sử dụng công nghệ phủ (như phương pháp phun, phương pháp lưỡi dao bác sĩ), phương pháp in lưới) Hỗn hợp được phủ lên bề mặt giấy than, sau đó có thể thu được lớp vi xốp thông qua quá trình thiêu kết ở nhiệt độ cao. Các nhà sản xuất giấy than cũng cung cấp các sản phẩm hoàn chỉnh được phủ các lớp vi xốp cho khách hàng. Các lớp khuếch tán khí (GDL) đóng nhiều vai trò và chức năng trong pin nhiên liệu, chẳng hạn như:
(1) Cung cấp kênh khí phản ứng (H2, O2)
(2) Cung cấp một kênh cho các sản phẩm phản ứng (nước, nhiệt) thoát ra khỏi lớp xúc tác
(3) Cung cấp các kênh vào và ra cho các electron phản ứng điện hóa
(4) Hoạt động như một giá đỡ cấu trúc cho lớp xúc tác và thân màng trao đổi proton
Từ những đặc điểm trên, có thể thấy rằng lớp khuếch tán khí (GDL) phải có các tính chất như độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, độ xốp, độ thấm khí và tính chất ưa nước/kỵ nước cùng một lúc. Hiện tại, các nhà cung cấp vật liệu duy nhất cho lớp khuếch tán khí của pin nhiên liệu trên thế giới là Toray, Ballard, Avcarb, SGL và Taiwan Carbon Energy. Tuy nhiên, giá thành đơn vị rất cao và nhu cầu thường thiếu hụt. Do đó, nếu có công nghệ tiên tiến, có thể giảm chi phí và đạt được kết quả kinh tế. Việc sản xuất vật liệu quan trọng này ở quy mô lớn là xứng đáng để đầu tư vào công nghệ này.
Lớp khuếch tán khí là thành phần cốt lõi của PEMFC, và lớp khuếch tán khí là vật liệu thành phần quan trọng của điện cực. Các vật liệu lớp khuếch tán khí thường được sử dụng bao gồm giấy sợi carbon, vải dệt sợi carbon, vải không dệt và giấy than đen. Nhưng một số cũng sử dụng vật liệu kim loại, chẳng hạn như kim loại phẳng lưới xốp niken.
Giấy sợi carbon là vật liệu lớp khuếch tán khí được sử dụng rộng rãi trong điện cực. Để sử dụng trong PEMFC, nó phải đáp ứng các yêu cầu hiệu suất sau:
(1) Cấu trúc xốp đồng đều mang lại khả năng thoáng khí tuyệt vời;
(2) Điện trở suất thấp, tạo cho nó độ dẫn điện tử cao;
(3) Cấu trúc nhỏ gọn, bề mặt phẳng, giảm điện trở tiếp xúc, cải thiện hiệu suất dẫn điện;
(4) Có độ bền cơ học nhất định, thuận tiện cho việc sản xuất điện cực và đảm bảo tính ổn định của cấu trúc điện cực trong điều kiện vận hành lâu dài;
(5) Có tính ổn định hóa học và ổn định nhiệt; chi phí sản xuất thấp và giá trị CP cao.