Газодиффузионные слои: Почему волокнистый войлок является предпочтительным выбором

Газодиффузионные слои (GDL) являются важнейшими элементами топливных элементов и электролизеров. Они обеспечивают эффективный перенос газов, электронов и жидкостей между проточными каналами и катализатором. Волокнистый войлок является предпочтительным вариантом, поскольку он представляет собой идеальное сочетание проводимости, пористости и гибкости.

Что такое газодиффузионные слои?

Газодиффузионные слои - это пористые материалы, помещаемые между слоем катализатора и полем потока в электрохимических устройствах. Их основная функция - обеспечить равномерную доставку газов-реагентов к поверхности катализатора и эффективную эвакуацию газов-продуктов. В топливных элементах GDL управляют транспортировкой водорода и кислорода, чтобы максимально ускорить электрохимические реакции и минимизировать потери концентрации. В электролизерах они помогают эффективно удалять водородные и кислородные газы, образующиеся на электродах.

Помимо транспортировки газов, GDL также обеспечивают механическую поддержку слоя катализатора и участвуют в управлении водой. Равномерное распределение воды позволяет избежать затопления или высыхания катализатора, что может значительно снизить производительность. Электропроводность также является важной функцией, благодаря которой GDL проводят электроны между катализатором и внешними цепями. При таких требованиях выбор материала GDL имеет большое значение для эффективности устройства и его долговечности в долгосрочной перспективе.

Рис. 1 Схематическая иллюстрация ячейки электролизера с нулевым зазором [1].

Что такое волокнистый войлок?

Волокнистый войлок - это нетканые маты, которые образуются путем сплетения волокон в высокопористую сеть. Обычно они изготавливаются из углерода, который характеризуется электропроводностью и химической стабильностью. Волокна в войлоке ориентированы случайным образом, образуя трехмерную структуру, которая обеспечивает взаимосвязанные пути для газов и жидкостей. Такая структура отличается от структуры тканых полотен или углеродной бумаги и обеспечивает более высокую пористость и гибкость при сохранении механической прочности.

В процессе производства волокнистого войлока волокна связываются с помощью нагрева, давления или обработки смолами, что позволяет создавать маты с заданной толщиной, плотностью и проницаемостью. Углеродные войлоки исключительно хорошо подходят для электрохимических сред благодаря тому, что они инертны, устойчивы к высоким температурам и коррозии.

Почему волокнистые войлоки идеально подходят для газодиффузионных слоев?

Волокнистый войлок обладает балансом свойств, который делает его чрезвычайно подходящим для использования в качестве GDL. Одним из наиболее важных свойств является высокая газопроницаемость и пористость, что позволяет равномерно распределять реакционные газы в слое катализатора и эффективно выводить продуктовые газы. Это позволяет свести к минимуму концентрационную поляризацию и обеспечить высокую электрохимическую эффективность.

Еще одно ключевое преимущество - отличная электропроводность. Войлок из углеродного волокна обеспечивает низкое сопротивление для электронов, что способствует эффективному сбору и распределению тока по поверхности катализатора. Химическая стабильность также имеет большое значение: войлок устойчив к коррозии и разрушению в агрессивных кислотных или щелочных средах, которые часто встречаются в топливных элементах и электролизерах.

Механическая гибкость также является важным фактором. Войлок, состоящий из волокон, можно сжимать для плотного контакта с катализатором и полем потока без растрескивания или нарушения структурной целостности. Сжимаемость обеспечивает тепловое расширение и механические напряжения во время работы для долговременной работы.

В топливных элементах они управляют водой. Они равномерно распределяют воду, предотвращают затопление и обеспечивают оптимальную гидратацию катализатора. В электролизерах они обеспечивают быстрое высвобождение пузырьков водорода и кислорода с минимальным их накоплением, что позволяет добиться высокой эффективности при высокой плотности тока.

Где использовать волокнистый войлок для газодиффузионных слоев?

Наибольшее применение волокнистый войлок находит в топливных элементах и водных электролизерах, где управление водой и транспортировка газа имеют решающее значение. В топливных элементах ПЭМ волокнистый войлок используется в качестве GDL для равномерной доставки водорода и кислорода к слою катализатора и для свободного выхода воды. В щелочных или ПЭМ-электролизерах волокнистый войлок используется для эффективного удаления пузырьков водорода и кислорода с поверхности электродов, чтобы облегчить работу при высокой плотности тока. Кроме того, волокнистый войлок применяется в унифицированных регенеративных топливных элементах, проточных редокс-батареях и других электрохимических реакторах, где равномерное распределение газа и жидкости, химическая и механическая стабильность необходимы для обеспечения высокой производительности.

Список материалов для изготовления войлока

Титановый, никелевый и нержавеющий войлок обладает рядом преимуществ для газодиффузионных слоев. Титановый войлок ценится в электролизерах ПЭМ и топливных элементах за высокую пористость, прочность и отличную устойчивость к кислотным средам. Благодаря настраиваемому размеру и пористости он обеспечивает стабильную работу и эффективное выделение газа даже при высоких плотностях тока. Никелевый войлок, известный своей проводимостью и устойчивостью к щелочной коррозии, широко используется на катодной стороне щелочных электролизеров и в некоторых топливных элементах для стимулирования выработки водорода. Войлок из нержавеющей стали, хотя и менее устойчив к коррозии, сочетает в себе долговечность, износостойкость и низкую стоимость, что делает его практичным выбором для больших электролизеров и проточных батарей, где механическая прочность имеет решающее значение.

Заключение

Газодиффузионные слои вносят значительный вклад в производительность и срок службы топливных элементов и электролизеров. Среди перспективных материалов волокнистый войлок выделяется высокой пористостью, электропроводностью, химической стабильностью и механической гибкостью. Более подробную информацию о передовых материалах можно найти на сайте Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки:

[1] Samu AA, Szenti I, Kukovecz Á, Endrődi B, Janáky C. Systematic screening of gas diffusion layers for high performance_CO2 electrolysis. Commun Chem. 2023 Feb 24;6(1):41. doi: 10.1038/s42004-023-00836-2. PMID: 36828885; PMCID: PMC9958001.