Протонообменна горивна клетка (PEMFC)
Горивната клетка с протонно-обменна мембрана (PEMFC), като новопоявяваща се нискотемпературна горивна клетка, има предимствата на висока ефективност, ниска работна температура и нулеви емисии, което е една от основните насоки за развитие на новата зелена енергия.
Основният компонент на PEMFC е мембранният електроден възел (MEA), който се състои от два слоя за дифузия на газ (GDL), два каталитични слоя и протонообменна мембрана.
Принципът на реакция на горивната клетка PEMFC е показан на фигура 1. Единичната клетка PEMFC се състои от ЕМА (анод, катод и протонообменна мембрана) и биполярни пластини. Анодът е мястото, където се извършва окислението на водородното гориво, а катодът е мястото, където се извършва окислението. И двата полюса съдържат катализатори за ускоряване на електрохимичната реакция на електродите, а като електрокатализатори обикновено се използват платина/въглерод или платина/рутений. Мембраната за обмен на протони действа като електролит; водородът или пречистеният реформиран газ е горивото; въздухът или чистият кислород е окислителят; а графитът или модифицираната по повърхността метална плоча с канал за газовия поток е двуполюсната плоча. Водородът и кислородът с определена влажност и налягане навлизат съответно в анода и катода и достигат до границата между слоя на катализатора и протонообменната мембрана през газовия дифузионен слой (въглеродна хартия на фигурата), където под действието на катализатора протичат реакции на окисление и редукция.
Анод:H2 → 2H+ + 2e-
Катод: ½ O2 + 2H+ + 2e- →H2O
Обща реакция на батерията: H2 + ½ O2 → H2O
В анода водородният газ реагира електрохимично, като образува водородни йони и електрони. След това водородните йони се отвеждат до катода през протонно-обменна мембрана (уникалните свойства на протонно-обменната мембрана позволяват преминаването само на водородни йони), а електроните достигат до катода през външна верига, където водородните йони, електроните и кислородът реагират, за да образуват вода. Образуваната вода се изхвърля от изхода на катода като водна пара или кондензат заедно с излишния кислород.
Дифузионен слой на газа (GDL)
Газовият дифузионен слой (GDL) е разположен в двата края на мембранния електрод, който е един от важните компоненти на горивната клетка; ролята му включва поддържане на протонообменната мембрана, покриване на катализатора, свързване на мембранния електрод с биполярната плоча и др.
Материалът за GDL трябва да притежава следните характеристики:
- Тъй като GDL се намира между биполярната пластина и катализаторния слой, електрохимичната реакция (т.е. плътността на тока) е много висока - съществува висока степен на галванична корозия - така че материалът GDL трябва да има устойчивост на корозия.
- Материалът за GDL - тъй като дифузията на водород/кислород или метанол/въздух към реакцията на каталитичния слой medium - трябва да бъде порест, дишащ материал.
- Материалът GDL играе ролята на проводник на ток и трябва да бъде високопроводим материал.
- Реакцията в батерията е екзотермична; материалът GDL трябва да бъде материал с висока топлопроводимост; разсейването на топлината трябва да бъде своевременно, за да се избегне локално прегряване, причинено от разрушаване на протонно-обменната мембрана.
- Материалът за GDL трябва да има висока хидрофобност, за да се избегне увреждане на каталитичния слой, причинено от водата, генерирана от реакцията на батерията
Хартия от въглеродни влакна
Хартията от въглеродни влакна (наричана въглеродна хартия) се произвежда от късо нарязани въглеродни влакна като суровина; тя има микроскопична пореста структура на влакната, която може да създаде ефективни канали за провеждане на газ и вода. В същото време въглеродната хартия има предимствата на ниско тегло, плоска повърхност, устойчивост на корозия и равномерна порьозност. Освен това високата якост на карбоновата хартия може да осигури защита при инсталирането и използването на PEMFC батерии, да стабилизира структурата на електродите и да подобри живота на батерията. Процесът на производство на въглеродна хартия е зрял, със стабилни характеристики; поради това въглеродната хартия се превърна в основен избор за материали за газодифузионния слой в мембранния електрод. Мембранният електрод с въглеродна хартия като слой за дифузия на газ е показан на фигура 1. Поради ориентацията на влакната в процеса на подготовка на въглеродната хартия, самата въглеродна хартия има различни анизотропии.
Като се има предвид, че топлопроводимостта е един от важните показатели на материалите за ГДП, в тази работа бяха проведени тестове за топлопроводимост на образец от въглеродна хартия с помощта на NETZSCH LFA HyperFlash®®. При това изпитване LFA 467 е използван за изпитване на топлинната дифузия на образеца от въглеродна хартия съответно в хоризонтална и вертикална посока, а DSC е използван за изпитване на специфичния топлинен капацитет на образеца от въглеродна хартия. Топлопроводимостта на образеца е получена чрез умножаване на топлодифузията, специфичния топлинен капацитет и плътността (при стайна температура) на образеца.
Приложения
В таблица 1 са показани резултатите от изпитването на топлопроводимостта в хоризонтална посока за този образец от въглеродна хартия (фигура 2). Подложката, използвана за това изпитване, е държач за образци в равнината (фигура 3), който може да се използва за изпитване на топлинната дифузия на тънкослойни материали с висока топлопроводимост в хоризонтална посока. Вижда се, че топлинната дифузия в хоризонтална посока на образеца при 25 °C и 100 °C е съответно 58,610 mm2/s и 50,122 mm2/s, а коефициентът на топлопроводност е съответно 20,568 W/(m*K) и 21,794 W/(m*K).
На фигура 4 е показана тестваната крива на повишаване на температурата и се вижда, че тестовите криви (необработен сигнал - синьо) и адаптираната крива (оценка на модела - червено) са в много добро съответствие.
В таблица 2 са показани резултатите от изпитването на топлопроводимостта на този образец от въглеродна хартия във вертикална посока.
За това изпитване се използва държач за проби от фолио (фигура 5), който може да се използва за изпитване на топлинната дифузия на проби от тънък филм във вертикална посока. От резултатите може да се види, че топлинната дифузия във вертикална посока на образеца е 7,463 mm2/s и 6,408 mm2/s съответно при 25 °C и 100 °C, а коефициентът на топлопроводност е съответно 2,619 W/(m*K) и 2,786 W/(m*K). Топлопроводимостта на образците в хоризонтална посока е значително по-висока от тази във вертикална посока, с очевидна индивидуална анизотропия. Тъй като образецът има пореста структура на влакната, при изпитването във вертикална посока се наблюдава известна степен на пропускане на светлина.
Резюме
В горивните клетки с протонно-обменна мембрана газодифузионният слой служи като важен компонент на мембранния електрод и цената му обикновено представлява 20-25 % от цената на мембранния електрод.
Анализът на индустрията прогнозира, че до 2024 г. размерът на световния пазар на материали за газодифузионен слой ще достигне 3,34 милиарда щатски долара. Въглеродната хартия, като предпочитан материал за слоя за дифузия на газ, има много обещаващо бъдеще за развитието на индустрията в Китай. Топлопроводимостта е един от важните показатели за въглеродната хартия. С помощта на анализатора за топлопроводимост NETZSCH Flash LFA 467 и неговите държач в равнината и държач за проби от фолио, топлопроводимостта на проби от въглеродна хартия в хоризонтална и вертикална посока може да се тества точно и удобно.