Mikroporaino niķeļa putu kā difūzijas slāņa (GDL/PTL) galvenās priekšrocības AEM elektrolītos

I. Mikroporaino niķeļa putu kā difūzijas slāņa (GDL/PTL) galvenās priekšrocības AEM elektrolītos

1. Lieliska elektriskā un elektronu vadītspēja

- Metāliskā niķeļa augsta iekšējā vadītspēja; tā trīsdimensiju savstarpēji savienotais tīkls nodrošina efektīvu elektronu vadītspēju un zemu saskarnes kontakta pretestību.

- Pārspēj oglekļa-materiālus (viegli anolizēt sārmainā vidē) un titāna-materiālus (augstas izmaksas); labi-piemērots sārmainai un augsta -potenciāla AEM videi.

2. Trīs-dimensiju-poru struktūra (masas pārneses/reakcijas priekšrocības)

- Augsta porainība (90%~98%) + hierarhiskas poras: makroporas (ātra gāzes izvadīšana), mezoporas/mikroporas (ūdens sadale, trīs{4}}fāžu saskarne).

- Īpaši liels īpatnējais virsmas laukums: nodrošina aktīvākas vietas adhēzijai, uzlabojot katalizatora izmantošanu.

- Laba mehāniskā izturība un mērena elastība: augsta pielāgošanās kompresijas montāžas laikā, mazāk pakļauta trauslumam.

3. Sārmu stabilitāte un katalītiskā sinerģija

- Niķelim piemīt izturība pret koroziju un struktūras stabilitāte AEM spēcīgajā sārmainībā un augstā temperatūrā (50–80 grādi). - Pašam niķelim piemīt vāja OER/HER katalītiskā aktivitāte, kas sinerģiski pastiprina tā iedarbību ar katalizatora slāni.

4. Izmaksām un procesam draudzīgs

- Salīdzinot ar titāna filca un dārgmetālu pārklājumiem, izejmateriālu un sagatavošanas izmaksas ir zemākas.

- Viegli sagriežami, modificējami un ielādējami katalizatori (elektrodepozīcija, bezelektroniskā pārklāšana, pārklājums).

II. Kāpēc PTL/MEA saskarne ir galvenais optimizācijas kaujas lauks?

AEM elektrolizatora veiktspēja (spriegums, strāvas blīvums, kalpošanas laiks) ir ļoti atkarīga no saskarnes. Zudumi galvenokārt rodas no: omiskā kontakta, aktivizēšanas un masas pārneses.

1. Interfeisa kontakts un ohmiskais zudums (viskritiskākais)

- Rupja virsma un asas poras niķeļa putās: viegli caurduriet AEM plēvi, izraisot lokālu stresa koncentrāciju un nevienmērīgu kontaktu.

- Nepareizs poru izmērs/plakanums mikroporainām niķeļa putām:

- Pārāk lielas poras → Mazs kontakta laukums, augsta kontakta pretestība

- Pārāk mazas poras → Membrāna viegli iegulst porās, membrānas bojājumi, traucēta jonu vadītspēja

- Optimizācijas norādījumi:

- Virsmas mikro/nano modifikācija (pulvera slānis, kodināšana, oksidēšana) → Gludāka, labāk pieguļ

- Gradienta poru struktūra (iekšējās mikroporas/mezoporas, ārējās makroporas) → Līdzsvaro kontaktu un masas pārnesi

2. Trīs-fāzu saskarne (cietā-šķidrā-gāze) un reakcijas kinētika

- Interfeiss nosaka: ūdens transportēšanu, OH⁻ vadīšanu, burbuļu desorbciju, efektīvu katalizatora izmantošanu.

- Problēmas:

- Slikta saskarnes mitrināmība → Vietējais ūdens trūkums, masas pārneses polarizācija

- Burbuļu saglabāšana → Aktīvo vietņu aptveršana, dramatisks pārmērīga potenciāla pieaugums

- Vāja saite starp katalizatora slāni (CL) un PTL → augsta pretestība, katalizatora atdalīšanās

- Niķeļa putu priekšrocības: trīs-dimensiju poras var "ieslēgties ūdenī" un veicināt ātru burbuļu atdalīšanu.

3. Saskarnes stabilitāte un kalpošanas laiks (galvenais ilgstošas{1}}degradācijas iemesls)

- Saskarne piedzīvo vissmagāko materiālu mijiedarbību, stresu, šķīšanu un jonomēru noārdīšanos.

- Kļūmes režīmi:

- PTL un CL atslāņošanās/attīrīšana

- Lokalizēta membrānas retināšana, caurumi, īssavienojumi

- Niķeļa šķīdināšana piesārņo membrānu/katodu

- Interfeisa optimizācija tieši uzlabo izturību un samazina degradācijas ātrumu par lielumu.

4. Interfeisa vājās vietas pie augsta strāvas blīvuma (industrializācijas atslēga)

- Ja lielāks vai vienāds ar 1–2 A/cm²:

- Gāzes ražošanas pieaugums → Saskarne ar noslieci uz gāzes bloķēšanu, masas pārneses ierobežojums

- Siltuma koncentrācija → Saskarnes materiālu paātrināta novecošana

- Tikai interfeisa optimizācija var patiesi realizēt niķeļa putu augsto vadītspēju un lielo īpatnējo virsmu.

III. Galvenās stratēģijas mikroporaino niķeļa putu PTL/MEA saskarnes optimizēšanai

1. Virsmas mikrostruktūras modifikācija

- Pārklājums ar mikroporainu niķeļa pulveri/nano-niķeļa slāni → Gluda virsma, novērš membrānas caurduršanu, palielina saskares laukumu

- Ķīmiskā kodināšana/oksidēšana → Izveidojiet nano-rupju virsmu, uzlabojiet saķeri, uzlabojiet mitrināšanu

2. Gradienta poru struktūras projektēšana

- Iekšējā puse (membrānas puse): mazas/mikroporas (5–20 μm) → Labs kontakts, ūdens aizture, stabila trīs-fāžu saskarne

- Ārējā puse (kanāla puse): lielas poras (30–100 μm) → Ātra ventilācija, samazināts gāzes aizsprostojums

3. Interfeisa savienošana un integrācija

- Tieša katalizatora augšana/elektrodepozīcija uz niķeļa putām → Samaziniet saskarnes pretestību, novēršiet atslāņošanos

- Jonomēru (AEI) saskarnes regulēšana → Uzlabojiet OH⁻ vadītspēju, uzlabojiet adhēziju un stabilitāti

4. Virsmas enerģijas/mitrināmības regula

- Hidrofīlā modifikācija → Vienmērīga ūdens sadale, samazināt sausās platības

- Vidēji hidrofobiskas vietas → Ātra burbuļu desorbcija un plūdu novēršana

Kopsavilkums

- Mikroporainās niķeļa putas ir vēlamā izvēle AEM difūzijas slāņiem: augsta vadītspēja, augsta stabilitāte, liels īpatnējais virsmas laukums un zemas izmaksas.

- Veiktspējas griesti nav pašā materiālā, bet gan PTL/MEA saskarnē.

- Interfeisa kontakts, trīs-fāzu saskarne, saskarnes stabilitāte un liela strāvas blīvuma masas pārnešana ir galvenie optimizācijas kaujas lauki, lai patiesi atraisītu niķeļa putu priekšrocības un iegūtu zema-sprieguma, augstas{3}}strāvas, ilgstošas-AEM elektrolizatorus.