Войти
Газодиффузионные электроды (GDE ) представляют собой электроды с соединением границы раздела твердых, жидких и газообразных веществ и электропроводящий катализатор, поддерживающий электрохимическую реакцию между жидкостью и газовая фаза.
ГДЭ используются в топливных элементах, где кислород и водород реагируют на газодиффузионных электродах с образованием воды, при этом преобразуя энергию химической связи в электрическую энергию. Обычно катализатор закреплен в пористой фольге, чтобы жидкость и газ могли взаимодействовать. Помимо этих характеристик смачивания, газодиффузионный электрод должен, конечно, обеспечивать оптимальную электрическую проводимость, чтобы обеспечить перенос электронов с низким омическое сопротивление.
Важным предварительным условием для работы газодиффузионных электродов диффузии является сосуществование жидкой и газовой фаз в системе пор электродов, что можно продемонстрировать с помощью Янга-Лапласа. уравнение :
Давление газа p зависит от жидкости в система пор по радиусу пор r, поверхностному натяжению жидкости γ и краевому углу Θ. Это уравнение следует использовать в качестве руководства для определения, поскольку существует слишком много неизвестных или трудно достижимых параметров. Когда рассматривается поверхностное натяжение, необходимо учитывать разницу в поверхностном натяжении твердого тела и жидкости. Но поверхностное натяжение катализаторов, таких как платина на угле или серебро, трудно измерить. Краевой угол смачивания на плоской поверхности можно определить с помощью микроскопа. Однако отдельная пора не может быть исследована, поэтому необходимо определить систему пор всего электрода. Таким образом, чтобы создать зону электрода для жидкости и газа, можно выбрать путь для создания разного радиуса пор r или для создания разных углов смачивания Θ.
Спеченный электрод На этом изображении спеченного электрода можно видеть, что использовались зерна трех разных размеров. Различными слоями были:
Большинство электродов, которые были изготовлены из С 1950 по 1970 год методом спекания использовались в топливных элементах. Этот тип производства был прекращен по экономическим причинам, потому что электроды были толстыми и тяжелыми, с общей толщиной 2 мм, в то время как отдельные слои должны были быть очень тонкими и без дефектов. Цена продажи была слишком высокой, и электроды нельзя было производить непрерывно.
Принцип газодиффузионного электрода Принцип газодиффузии показан на этой диаграмме. Так называемый газораспределительный слой расположен в середине электрода. При небольшом давлении газа электролит вытесняется из этой системы пор. Небольшое сопротивление потоку гарантирует, что газ может свободно течь внутри электрода. При немного более высоком давлении газа электролит в системе пор ограничивается рабочим слоем. Сам поверхностный слой имеет такие мелкие поры, что даже при пиковом давлении газ не может проходить через электрод в электролит. Такие электроды были изготовлены путем рассеяния и последующего спекания или горячего прессования. Для изготовления многослойных электродов мелкозернистый материал насыпали в форму и разглаживали. Затем другие материалы наносились в несколько слоев и подвергались давлению. Производство было не только подвержено ошибкам, но также отнимало много времени и было трудно автоматизировать.
SEM - изображение электрода из ПТФЭ-серебра Примерно с 1970 года ПТФЭ используются для изготовления электрода, имеющего как гидрофильный и гидрофобные свойства, при этом химически стабильные и могут использоваться в качестве связующих. Это означает, что в местах с высоким содержанием ПТФЭ электролит не может проникнуть в систему пор, и наоборот. В этом случае сам катализатор не должен быть гидрофобным.
Существуют два технических варианта получения смесей катализатора из ПТФЭ:
Путь диспергирования выбран в основном для электродов с полимерными электролитами, как успешно внедрено в топливо PEM ячейке и в PEM или HCL мембране электролиз. При использовании в жидком электролите более уместен сухой способ.
Кроме того, в процессе диспергирования (за счет испарения воды и спекания ПТФЭ при 340 ° C) механическое прессование пропускается, и полученные электроды являются очень пористыми. При использовании методов быстрой сушки на электродах могут образовываться трещины, через которые может проникнуть жидкий электролит. Для применений с жидкими электролитами, таких как воздушно-цинковые батареи или щелочные топливные элементы, используется метод сухой смеси.
В кислых электролитах катализаторами обычно являются драгоценные металлы, такие как платина, рутений, иридий и родий. В щелочных электролитах, таких как воздушно-цинковые батареи и щелочные топливные элементы, обычно используются менее дорогие катализаторы, такие как углерод, марганец, серебро, или никель сетка.
Сначала в ячейке Гроув, Фрэнсис Томас Бэкон <57 использовались твердые электроды>был первым, кто использовал газодиффузионные электроды для топливного элемента Бэкона, превращая водород и кислород при высокой температуре в электричество. За прошедшие годы газодиффузионные электроды были адаптированы для различных других процессов, таких как:
В последние годы использование газодиффузионных электродов для электрохимического восстановления диоксида углерода является активно развивающейся темой исследований.
GDE производится на всех уровнях. Он используется не только для научно-исследовательских фирм, но и для более крупных компаний, а также для производства мембранного электродного узла (MEA), который в большинстве случаев используется в топливных элементах или аккумуляторных устройствах. Компании, которые специализируются на массовом производстве GDE, включают Johnson Matthey, Gore и. Однако есть много компаний, которые производят индивидуальные или небольшие количества GDE, позволяющие также оценивать различные формы, катализаторы и загрузки, в том числе FuelCellStore, FuelCellsEtc и многие другие.
