가스 확산 전극

Gas diffusion electrode

가스확산전극(GDE)은 고체, 액체 및 기체 계면과 액상과 [1]기체상의 전기화학반응을 지원하는 도전촉매의 결합을 가진 전극이다.

원칙

GDE는 산소와 수소가 가스 확산 전극에서 반응하는 연료 전지에 사용되며, 물을 형성하면서 화학 결합 에너지를 전기에너지로 변환합니다.보통 촉매는 다공질 포일에 고정되므로 액체와 기체가 상호 작용할 수 있습니다.물론 이러한 습윤 특성 외에도 가스 확산 전극은 낮은 옴 저항으로 전자 수송을 가능하게 하기 위해 최적의 전기 전도성을 제공해야 한다.

가스 확산 전극을 작동하기 위한 중요한 전제조건은 전극의 공극 시스템에서 액상과 기체상이 모두 공존한다는 것입니다. 이는 영-라플라스 방정식으로 입증할 수 있습니다.

기체압 p는 모공반경 r, 액체의 표면장력 θ 및 접촉각 δ에 걸쳐 모공계통의 액체와 관련된다.이 방정식은 알려지지 않았거나 달성하기 어려운 매개변수가 너무 많기 때문에 결정을 위한 지침으로 채택되어야 한다.표면장력을 고려할 때 고체와 액체의 표면장력 차이를 고려해야 한다.그러나 탄소나 은에 대한 백금과 같은 촉매의 표면 장력은 거의 측정할 수 없습니다.평면에서의 접촉각은 현미경으로 확인할 수 있습니다.단, 단일 기공은 검사할 수 없으므로 전극 전체의 기공계를 결정할 필요가 있다.따라서 액체 및 기체의 전극 면적을 만들기 위해 다른 세공 반지름 r을 생성하거나 다른 습윤각 δ를 생성하도록 경로를 선택할 수 있다.

소결 전극

소결 전극

이 소결 전극 이미지에서는 세 가지 입자 크기가 사용되었음을 알 수 있습니다.다른 레이어는 다음과 같습니다.

  1. 미립자 재료의 최상층
  2. 다른 그룹의 레이어
  3. 굵은 입자의 가스 분포층

1950년부터 1970년까지 소결법으로 제조된 전극의 대부분은 연료전지용이었다.이러한 유형의 생산은 전극이 두껍고 무거우며 공통 두께가 2mm인 반면 개별 층은 매우 얇고 결함이 없어야 했기 때문에 경제적인 이유로 중단되었습니다.판매가격이 너무 비싸 전극을 계속 생산할 수 없었다.

작동 원리

가스확산전극의 원리

가스 확산의 원리는 이 다이어그램에 설명되어 있습니다.이른바 가스 분배층은 전극 중앙에 위치합니다.가스 압력이 작을 경우 전해질은 이 기공 시스템에서 변위됩니다.작은 흐름 저항으로 가스가 전극 내부로 자유롭게 흐를 수 있습니다.약간 높은 가스 압력에서는 모공 시스템의 전해질이 작업층으로 제한됩니다.표면층 자체는 압력이 최고조에 달했을 때에도 가스가 전극을 통해 전해질로 흐를 수 없을 정도로 미세한 기공을 가지고 있습니다.이러한 전극은 산란과 그에 따른 소결 또는 열간 압착에 의해 생산되었다.다층 전극을 만들기 위해 미세한 재료를 금형에 뿌려 매끄럽게 했다.그 후, 다른 재료들을 여러 겹으로 도포하고 압력을 가했다.프로덕션 작업은 오류가 발생하기 쉬울 뿐만 아니라 시간이 많이 걸리고 자동화하기가 어려웠습니다.

접합 전극

PTFE-은 전극으로부터의 SEM 이미지

약 1970년부터 PTFE는 친수성과 소수성을 모두 가지며 화학적으로 안정적이며 바인더로 사용할 수 있는 전극을 생산하기 위해 사용되었다.즉, PTFE의 비율이 높은 곳에서는 전해질이 모공 시스템을 통과할 수 없으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.이 경우 촉매 자체는 [2]비소수성이어야 한다.

바리에이션

PTFE 촉매 혼합물을 제조하기 위한 두 가지 기술적 변형이 있습니다.

  • 수분, PTFE, 촉매, 유화제, 증점제...
  • PTFE 분말과 촉매 분말의 건조 혼합물

분산 경로는 주로 고분자 전해질을 가진 전극에 대해 선택되며, 이는 양성자 교환막 연료전지(PEM) 및 양성자 교환막(PEM) 또는 염산(HCL) 막 전기 분해에 성공적으로 도입되었다.액체 전해액에 사용할 경우 건조 공정이 더 적합합니다.

또 분산경로(340℃에서의 물의 증발과 PTFE의 소결)에서는 기계적 압착을 생략하고 생성되는 전극은 매우 다공성이다.급속건조방법에 의해 액체전해질 수 있는 전극에 균열이 생길 수 있다.아연-공기전지 또는 알칼리성 연료전지 등 액체 전해질을 사용하는 경우에는 건식 혼합법을 사용한다.

촉매

산성 전해질에서 촉매는 보통 백금, 루테늄, 이리듐, 로듐과 같은 귀금속입니다.아연-공기 전지 및 알칼리 연료 전지 같은 알칼리성 전해질에서는 탄소, 망간, 은, 니켈 발포체 또는 니켈 메시와 같은 보다 저렴한 촉매를 사용하는 것이 일반적입니다.

어플

처음에 고체 전극이 그로브 셀에 사용되었을 때, 프랜시스 토마스 베이컨은 베이컨 연료 [3]셀에 가스 확산 전극을 사용하여 고온의 수소와 산소를 전기로 변환했습니다.수년간 가스 확산 전극은 다음과 같은 다양한 다른 프로세스에 적용되어 왔습니다.

최근 몇 년 동안 이산화탄소 전기화학적 감소를 위한 가스 확산 전극의 사용은 크게 성장하고 있는 연구 [6]주제이다.

생산.

GDE는 모든 수준에서 생산됩니다.연구 개발 회사뿐만 아니라 대형 회사에서도 연료 전지 또는 배터리 장치에 사용되는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA) 생산에 사용됩니다.GDE의 대량 생산을 전문으로 하는 기업으로는 존슨 매티, 고어, 가스카텔 등이 있습니다.그러나 FuelCellsStore, FuelCellsEtc 등 다양한 형상, 촉매 및 부하를 평가할 수 있도록 커스텀 또는 저량 GDE를 생산하는 기업이 많습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Furuya, Nagakazu (2003). "A technique is described for production of a gas diffusion electrode by electrophoresis". Journal of Solid State Electrochemistry. 8: 48–50. doi:10.1007/s10008-003-0402-z.
  2. ^ Bidault, F.; et al. "A new cathode design for alkaline fuel cells" (PDF). Imperial College London. p. 7. Archived from the original (PDF) on 2011-07-20. Retrieved 2013-04-19.
  3. ^ 프란시스 토마스(톰) 베이컨.chem.ch.huji.ac.il
  4. ^ Barmashenko, V.; Jörissen, J. (2005). "Recovery of chlorine from dilute hydrochloric acid by electrolysis using a chlorine resistant anion exchange membrane". Journal of Applied Electrochemistry. 35 (12): 1311. doi:10.1007/s10800-005-9063-1.
  5. ^ Sugiyama, M.; Saiki, K.; Sakata, A.; Aikawa, H.; Furuya, N. (2003). "Accelerated degradation testing of gas diffusion electrodes for the chlor-alkali process". Journal of Applied Electrochemistry. 33 (10): 929. doi:10.1023/A:1025899204203.
  6. ^ doi:10.1021/jz1012627 J.물리.화학 2010년 1월 3451일 ~ 3458일