Газодиффузионный электрод - Gas diffusion electrode

Газодиффузионные электроды ( GDE ) представляют собой электроды с соединением твердой, жидкой и газообразной поверхностей и электропроводящим катализатором, поддерживающим электрохимическую реакцию между жидкой и газовой фазами.

Принцип

ГДЭ 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, обеспечивать оптимальную электропроводность , 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. 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

Спеченный электрод

На этом изображении спеченного электрода можно увидеть, что использовались зерна трех разных размеров. Различные слои были:

  1. верхний слой из мелкозернистого материала
  2. слой из разных групп
  3. газораспределительный слой из крупнозернистого материала

Большинство электродов, которые производились 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 газодиффузионного электрода

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

СЭМ -изображение электрода из ПТФЭ-серебра

Примерно с 1970 года ПТФЭ используются для изготовления 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 не должен быть гидрофобным.

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 (посредством 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 .

заявка

Сначала твердые электроды использовались в ячейке Гроув , Фрэнсис Томас Бэкон 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.

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, которые специализируются 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

Ссылки