Газодиффузионные электроды ( GDE ) представляют собой электроды с соединением твердой, жидкой и газообразной поверхностей и электропроводящим катализатором, поддерживающим электрохимическую реакцию между жидкой и газовой фазами. [1]
Принцип
GDE используются в топливных элементах , где кислород и водород реагируют на газодиффузионных электродах с образованием воды, при этом энергия химической связи преобразуется в электрическую энергию . Обычно катализатор закреплен в пористой фольге, чтобы жидкость и газ могли взаимодействовать. Помимо этих характеристик смачивания , газодиффузионный электрод должен, конечно, обладать оптимальной электропроводностью , чтобы обеспечить перенос электронов с низким омическим сопротивлением .
Важной предпосылкой для работы газодиффузионных электродов является сосуществование жидкой и газовой фаз в системе пор электродов, что можно продемонстрировать с помощью уравнения Юнга – Лапласа :
Давление газа p зависит от жидкости в системе пор по радиусу пор r, поверхностному натяжению жидкости γ и краю контакта Θ. Это уравнение следует использовать в качестве руководства для определения, поскольку существует слишком много неизвестных или труднодостижимых 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 серебре , трудно измерить. 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 увидеть, что использовались зерна трех разных размеров. Различными слоями были:
- верхний слой из мелкозернистого материала
- слой из разных групп
- газораспределительный слой из крупнозернистого материала
Большинство электродов, изготовленных с 1950 по 1970 год методом спекания, предназначались для использования 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 быть очень тонкими и без дефектов. Цена была слишком высока, и электроды нельзя было производить непрерывно.
Принцип действия
Принцип газовой диффузии 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 изготавливали методом 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.
Связанный электрод
Примерно с 1970 года ПТФЭ используются для производства электрода, обладающего как гидрофильными, так и гидрофобными свойствами, но при этом химически стабильным и который может использоваться в качестве связующего. Это означает, что в местах с высоким содержанием ПТФЭ электролит не может проникнуть в систему пор и наоборот. В этом случае сам катализатор должен быть негидрофобным. [2]
Вариации
Существует два технических варианта производства смесей катализаторов из ПТФЭ:
- Дисперсия воды, ПТФЭ, катализатора, эмульгаторов, загустителей ...
- Сухая смесь порошка ПТФЭ и порошка катализатора
Маршрут дисперсии выбирают , главным образом , для электродов с полимерными электролитами, так же успешно введены в ПЭМ топливного элемента и в PEM или HCL мембранного электролиза . При использовании жидкого электролита более уместен сухой процесс.
Кроме того, в процессе диспергирования (за счет испарения воды и спекания ПТФЭ при 340 ° C) механическое прессование пропускается, и получаемые электроды очень пористые. 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.
Катализатор
В кислых электролитах катализаторами обычно служат 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 , пена никель или никелевая сетка .
Заявление
Сначала твердые электроды были использованы в клетке Grove , Фрэнсис Томас Бэкон был первым , чтобы использовать газодиффузионные электроды для бекона топливного элемента , [3] преобразование водорода и кислорода при высокой температуре в электричество. С годами газодиффузионные электроды были адаптированы для различных других процессов, таких как:
- Цинково-воздушная батарея с 1980 г.
- Никель-металлогидридный аккумулятор с 1990 г.
- Производство хлора электролизом отработанной соляной кислоты [4]
- Хлорно-щелочной процесс [5]
В последние годы использование газодиффузионных электродов для электрохимического восстановления диоксида углерода является активно развивающейся темой исследований. [6]
Производство
GDE производится на всех уровнях. Он используется не только для исследовательских и опытно-конструкторских 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, специализирующиеся на крупносерийном производстве GDE, включают Johnson Matthey, Gore и Gaskatel . 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.
Смотрите также
- Щелочно-анионообменная мембрана
- Концентрационная ячейка
- Электродный потенциал
- Глоссарий терминов топливных элементов
- Ионный транспортный номер
- Ионоселективный электрод
- Потенциал жидкого перехода
- Мембранный электрод в сборе
Рекомендации
- ^ Фуруйя, Nagakazu (2003). «Описана технология изготовления газодиффузионного электрода электрофорезом». Журнал электрохимии твердого тела . 8 : 48–50. DOI : 10.1007 / s10008-003-0402-z .
- ^ Bidault, F .; и другие. «Новая конструкция катода для щелочных топливных элементов» (PDF) . Имперский колледж Лондона . п. 7. Архивировано из оригинального (PDF) 20 июля 2011 года . Проверено 19 апреля 2013 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Фрэнсис Томас (Том) Бэкон . chem.ch.huji.ac.il
- ^ Бармашенко, В .; Йериссен, Дж. (2005). «Восстановление хлора из разбавленной соляной кислоты электролизом с использованием устойчивой к хлору анионообменной мембраны». Журнал прикладной электрохимии . 35 (12): 1311. DOI : 10.1007 / s10800-005-9063-1 .
- ^ Sugiyama, M .; Сайки, К .; Саката, А .; Aikawa, H .; Фуруя, Н. (2003). «Испытания на ускоренную деградацию газодиффузионных электродов для хлорщелочного процесса». Журнал прикладной электрохимии . 33 (10): 929. DOI : 10,1023 / A: 1025899204203 .
- ^ DOI: 10.1021 / jz1012627 | Дж. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 3451–3458