Pagrindiniai mikroporingo nikelio putplasčio kaip difuzinio sluoksnio (GDL/PTL) AEM elektrolituose pranašumai

I. Pagrindiniai mikroporingo nikelio putplasčio kaip difuzinio sluoksnio (GDL/PTL) privalumai AEM elektrolituose

1. Puikus elektros ir elektronų laidumas

- Didelis metalinio nikelio savitasis laidumas; jo trijų-dimensijų sujungtas tinklas užtikrina efektyvų elektronų laidumą ir mažą sąsajos kontakto varžą.

- Pranašesnės už anglies- medžiagas (lengvai analizuojamos šarminėje aplinkoje) ir titano{2}} medžiagas (didelė kaina); gerai-tinka šarminėje ir didelio-potencialumo AEM aplinkoje.

2. Trijų-matmenų per-porų struktūra (masės perdavimo / reakcijos pranašumai)

- Didelis poringumas (90 % ~ 98 %) + hierarchinės poros: makroporos (greitas dujų pašalinimas), mezoporos/mikroporos (vandens pasiskirstymas, trijų -fazių sąsaja).

- Itin didelis specifinis paviršiaus plotas: suteikia daugiau aktyvių vietų sukibimui, pagerina katalizatoriaus panaudojimą.

- Geras mechaninis stiprumas ir vidutinis lankstumas: puikiai tinka suspaudžiant, mažiau trapuma.

3. Šarminis stabilumas ir katalizinė sinergija

- Nikelis pasižymi atsparumu korozijai ir struktūriniu stabilumu, esant stipriam šarmingumui ir aukštai temperatūrai (50–80 laipsnių) AEM. - Pats nikelis pasižymi silpnu OER/HER kataliziniu aktyvumu, kuris sinergiškai sustiprina jo ir katalizatoriaus sluoksnio poveikį.

4. Patogus sąnaudoms ir procesui

- Palyginti su titano veltinio ir tauriųjų metalų dangomis, žaliavos ir paruošimo sąnaudos yra mažesnės.

- Lengvai pjaustomi, modifikuojami ir įkeliami katalizatoriai (elektrodinis nusodinimas, beelektrinis dengimas, dengimas).

II. Kodėl PTL/MEA sąsaja yra pagrindinis optimizavimo mūšio laukas?

AEM elektrolizatoriaus veikimas (įtampa, srovės tankis, tarnavimo laikas) labai priklauso nuo sąsajos. Nuostoliai daugiausia atsiranda dėl: ominio kontakto, aktyvavimo ir masės perdavimo.

1. Sąsajos kontaktas ir ominis praradimas (labiausiai svarbus)

- Šiurkštus paviršius ir aštrios nikelio putplasčio poros: lengvai pradurkite AEM plėvelę, sukeldami vietinę įtampos koncentraciją ir netolygų kontaktą.

- Netinkamas mikroporingo nikelio putplasčio porų dydis/plokštumas:

- Poros per didelės → Mažas kontaktinis plotas, didelis atsparumas kontaktui

- Per mažos poros → Membrana lengvai įterpiama į poras, pažeista membrana, sutrikęs jonų laidumas

- Optimizavimo nurodymai:

- Paviršiaus mikro/nano modifikavimas (miltelių sluoksnis, ėsdinimas, oksidacija) → Lygesnis, geriau tinka

- Gradientinė porų struktūra (vidinės mikroporos / mezoporos, išorinės makroporos) → Subalansuoja kontaktą ir masės perdavimą

2. Trijų-fazių sąsaja (kietosios-skystos-dujos) ir reakcijos kinetika

- Sąsaja nustato: vandens transportavimą, OH⁻ laidumą, burbuliukų desorbciją, efektyvų katalizatoriaus panaudojimą.

- Problemos:

- Prastas sąsajos drėkinamumas → Vietinis vandens trūkumas, masės perdavimo poliarizacija

- Burbulo išlaikymas → Aktyvių svetainių aprėpimas, didelis potencialo perteklius

- Silpnas ryšys tarp katalizatoriaus sluoksnio (CL) ir PTL → Didelis atsparumas, katalizatoriaus atsiskyrimas

- Nikelio putplasčio privalumai: trijų-dimensijų poros gali „užrakinti vandenyje“ ir palengvinti greitą burbuliukų atsiskyrimą.

3. Sąsajos stabilumas ir eksploatavimo trukmė (pagrindinė ilgalaikio{1}}blogėjimo priežastis)

- Sąsaja patiria didžiausią medžiagų sąveiką, įtempimą, tirpimą ir jonomerų skaidymą.

- Gedimų režimai:

- PTL ir CL atskyrimas / pašalinimas

- Lokalus membranos plonėjimas, skylutės, trumpieji jungimai

- Nikelio tirpimas užteršia membraną / katodą

- Sąsajos optimizavimas tiesiogiai pagerina patvarumą ir sumažina gedimo greitį.

4. Sąsajos kliūtys esant dideliam srovės tankiui (svarbiausia industrializacija)

- Esant 1–2 A/cm² arba didesniam:

- Dujų gamybos padidėjimas → Sąsaja linkusi į dujų užsikimšimą, masės perdavimo riba

- Šilumos koncentracija → Spartesnis sąsajos medžiagų senėjimas

- Tik optimizuojant sąsają galima realizuoti didelį nikelio putplasčio laidumą ir didelį specifinį paviršiaus plotą.

III. Pagrindinės mikroporingo nikelio putplasčio PTL/MEA sąsajos optimizavimo strategijos

1. Paviršiaus mikrostruktūros modifikavimas

- Padengimas mikroporiniais nikelio milteliais/nano-nikelio sluoksniu → Lygus paviršius, apsaugo nuo membranos pradurimo, padidina sąlyčio plotą

- Cheminis ėsdinimas / oksidacija → Sukurkite nano{1}}šiurkštų paviršių, pagerinkite sukibimą, pagerinkite drėkinimą

2. Gradiento porų struktūros projektavimas

- Vidinė pusė (membranos pusė): mažos / mikroporos (5–20 μm) → Geras kontaktas, vandens sulaikymas, stabili trijų-fazių sąsaja

- Išorinė pusė (kanalo pusė): didelės poros (30–100 μm) → Greitas išleidimas, sumažintas dujų užsikimšimas

3. Sąsajos sujungimas ir integravimas

- Tiesioginis katalizatoriaus augimas / nusodinimas ant nikelio putų → Sumažinkite sąsajos pasipriešinimą, apsaugokite nuo atsiskyrimo

- Jonomerų (AEI) sąsajos reguliavimas → Padidinkite OH⁻ laidumą, pagerinkite sukibimą ir stabilumą

4. Paviršiaus energijos/drėkumo reglamentas

- Hidrofilinė modifikacija → Tolygus vandens pasiskirstymas, sumažinti sausų plotų skaičių

- Vidutinės hidrofobinės vietos → Greita burbulų desorbcija ir potvynių prevencija

Santrauka

- Mikroporėtos nikelio putos yra tinkamiausias AEM difuzijos sluoksnių pasirinkimas: didelis laidumas, didelis stabilumas, didelis specifinis paviršiaus plotas ir maža kaina.

- Našumo riba yra ne pačioje medžiagoje, o PTL/MEA sąsajoje.

- Sąsajos kontaktas, trijų-fazių sąsaja, sąsajos stabilumas ir didelio srovės tankio masės perdavimas turi būti pagrindiniai optimizavimo mūšio laukai, siekiant iš tikrųjų atskleisti nikelio putų pranašumus ir pasiekti žemos-įtampos, didelės-srovės, ilgai veikiančius{4}}AEM elektrolizatorius.