Компоненты и материалы топливных элементов

Топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC) в настоящее время находятся в центре внимания исследований для применения в автомобилях на топливных элементах. Топливные элементы из протонообменной мембраной изготавливаются из нескольких слоев различных материалов. Ниже описаны основные компоненты топливный элемент с протонообменной мембраной.

Сердцем топливного элемента с протонообменной мембраной является мембранно-электродный блок (MEA), который включает в себя катионообменную мембрану, слои катализатора и газодиффузионные слои (GDL).

Аппаратные компоненты, используемые для встраивания MEA в топливный элемент, включают изолирующие прокладки, которые обеспечивают герметизацию вокруг MEA для предотвращения утечки газов, и биполярные пластины, которые используются для сборки отдельных топливных элементов из PEM в блок (батарею) топливных элементов и обеспечивают каналы для тока газообразного топлива и воздуха.

Мембранно-электродный блок

Мембрана, слои катализатора (анод и катод) и газодиффузионные слои вместе образуют мембранно-электродный блок (МEA) топливного элемента с протонообменной мембраной.

Мембрана из полимерного электролита

Полимерная электролитическая мембрана, или ПЭМ (также называемая протонообменной (катионообменной) мембраной) — специально обработанный материал, который выглядит как обычная кухонная пластиковая пленка — проводит только положительно заряженные ионы и блокирует электроны. ПЭМ является ключевым элементом технологии топливных элементов; она должна пропускать только необходимые ионы между анодом и катодом. Другие вещества, проходящие через электролит, могут нарушить химическую реакцию. Для транспортных целей используется очень тонкая мембрана — в некоторых случаях менее 20 микрон.

Слои катализатора

Слой катализатора наносится на обе стороны мембраны — анодный слой с одной стороны и катодный слой с другой. Обычные слои катализатора включают частицы платины нанометрового размера, диспергированные на углеродной подложке с большой площадью поверхности. Этот платиновый катализатор на подложке смешивается с ионопроводящим полимером (иономером) и помещается между мембраной и газодиффузионном слоем. Со стороны анода платиновый катализатор позволяет молекулам водорода расщепляться на протоны и электроны. На катодной стороне платиновый катализатор обеспечивает восстановление кислорода за счет взаимодействия с протонами, генерируемыми анодом, с образованием воды. Иономер, добавленный в слои катализатора, позволяет протонам проходить через эти слои.

Газодиффузионные слои

Газодиффузионные слои (GDL) расположены снаружи слоев катализатора и облегчают транспортировку реагентов в слой катализатора, а также удаление воды. Каждый GDL обычно состоит из листа углеродной бумаги, в котором углеродные волокна частично покрыты политетрафторэтиленом (PTFE). Газы быстро проникают через поры в GDL. Эти поры остаются открытыми благодаря гидрофобному PTFE, который предотвращает чрезмерное накопление воды. Во многих случаях внутренняя поверхность GDL покрыта тонким слоем углерода с высокой площадью поверхности, смешанного с PTFE, который называется микропористым слоем. Микропористый слой помогает регулировать баланс между удержанием воды (необходим для поддержания проводимости мембраны) и выделением воды (необходим для поддержания пор открытыми, чтобы водород и кислород могли проникать в электроды).

Аппаратные компоненты

Мембранно-электродный блок является частью топливного элемента, где вырабатывается энергия, но для обеспечения эффективной работы MEA требуются аппаратные компоненты.

Биполярные пластины

В обычных условиях эксплуатации каждый единичный топливный элемент выдает напряжение менее 1 В, в то время как для большинства применений требуется более высокое напряжение. Поэтому обычно несколько топливных элементов последовательно подключают, накладывая их друг на друга для обеспечения требуемого выходного напряжения. Каждая MEA в такой топливной батареи зажата между двумя биполярными пластинами, отделяющими ее от соседних ячеек. Эти пластины, которые могут быть изготовлены из металла, углерода или композитов, обеспечивают электропроводность между ячейками, а также физическую прочность набора. Поверхности пластин обычно содержат “зону каналов/поле потока”, которое представляет собой набор каналов, обработанных механической обработкой или отштампованных в пластине для обеспечения прохождения газов по поверхности. Дополнительные каналы внутри каждой пластины могут использоваться для циркуляции жидкого хладагента.

Изолирующие прокладки

Каждый мембранно-электродный блок в топливном элементе расположен между двумя биполярными пластинами, но для обеспечения газонепроницаемости по краям MEA необходимо установить изолирующие прокладки. Эти прокладки обычно изготавливаются из эластичного полимера.

Для получения дополнительной информации смотрите Анализ топливных элементов — сравнение и перспективы.