Κυψέλη καυσίμου ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC)
Η κυψέλη καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC), ως αναδυόμενη κυψέλη καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας, έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής απόδοσης, της χαμηλής θερμοκρασίας λειτουργίας και των μηδενικών εκπομπών, η οποία αποτελεί μία από τις κύριες κατευθύνσεις ανάπτυξης της νέας πράσινης ενέργειας.
Το βασικό συστατικό της PEMFC είναι το συγκρότημα ηλεκτροδίων μεμβράνης (MEA), το οποίο αποτελείται από δύο στρώματα διάχυσης αερίου (GDL), δύο καταλυτικά στρώματα και μια μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων.
Η αρχή της αντίδρασης μιας κυψέλης καυσίμου PEMFC παρουσιάζεται στο σχήμα 1. Η μεμονωμένη κυψέλη PEMFC αποτελείται από μια ΕΜΑ (άνοδος, κάθοδος και μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων) και διπολικές πλάκες. Η άνοδος είναι το σημείο όπου λαμβάνει χώρα η οξείδωση του καυσίμου υδρογόνου και η κάθοδος είναι το σημείο όπου λαμβάνει χώρα η οξειδοαναγωγή. Και οι δύο πόλοι περιέχουν καταλύτες για την επιτάχυνση της ηλεκτροχημικής αντίδρασης των ηλεκτροδίων και ως ηλεκτροκαταλύτες χρησιμοποιούνται γενικά πλατίνα/άνθρακας ή πλατίνα/ρουθήνιο. Η μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων λειτουργεί ως ηλεκτρολύτης- το υδρογόνο ή το καθαρισμένο αναμορφωμένο αέριο είναι το καύσιμο- ο αέρας ή το καθαρό οξυγόνο είναι το οξειδωτικό- και ο γραφίτης ή η επιφανειακά τροποποιημένη μεταλλική πλάκα με το κανάλι ροής αερίου είναι η διπολική πλάκα. Το υδρογόνο και το οξυγόνο με ορισμένη υγρασία και πίεση εισέρχονται στην άνοδο και την κάθοδο, αντίστοιχα, και φθάνουν στη διεπιφάνεια μεταξύ του στρώματος καταλύτη και της μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων μέσω του στρώματος διάχυσης αερίων (χαρτί άνθρακα στο σχήμα), όπου λαμβάνουν χώρα αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής υπό τη δράση του καταλύτη.
Άνοδος: 2H+ + 2e-
Κάθοδος: ½ O2 + 2H+ + 2e- →H2O
Συνολική αντίδραση της μπαταρίας: H2 + ½ O2 → H2O
Στην άνοδο, το αέριο υδρογόνο αντιδρά ηλεκτροχημικά σχηματίζοντας ιόντα υδρογόνου και ηλεκτρόνια. Τα ιόντα υδρογόνου οδηγούνται στη συνέχεια στην κάθοδο μέσω μιας μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (οι μοναδικές ιδιότητες της μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων επιτρέπουν τη διέλευση μόνο ιόντων υδρογόνου) και τα ηλεκτρόνια φθάνουν στην κάθοδο μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος, όπου τα ιόντα υδρογόνου, τα ηλεκτρόνια και το οξυγόνο αντιδρούν προς σχηματισμό νερού. Το παραγόμενο νερό απορρίπτεται από την έξοδο της καθόδου ως υδρατμός ή συμπύκνωμα μαζί με την περίσσεια οξυγόνου.
Στρώμα διάχυσης αερίου (GDL)
Το στρώμα διάχυσης αερίου (GDL) βρίσκεται στα δύο άκρα του ηλεκτροδίου μεμβράνης, το οποίο είναι ένα από τα σημαντικά συστατικά της κυψέλης καυσίμου- ο ρόλος του περιλαμβάνει τη στήριξη της μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, την επικάλυψη του καταλύτη, τη σύνδεση του ηλεκτροδίου μεμβράνης με τη διπολική πλάκα κ.λπ.
Το υλικό GDL πρέπει να έχει τα ακόλουθα σημεία όσον αφορά την απόδοση:
- Επειδή το GDL βρίσκεται μεταξύ της διπολικής πλάκας και του στρώματος καταλύτη, η ηλεκτροχημική αντίδραση (δηλ. η πυκνότητα ρεύματος) είναι πολύ υψηλή - υπάρχει υψηλός βαθμός γαλβανικής διάβρωσης - επομένως το υλικό GDL πρέπει να έχει αντοχή στη διάβρωση.
- Το υλικό GDL - καθώς η διάχυση υδρογόνου/οξυγόνου ή μεθανόλης/αέρα στην αντίδραση του καταλυτικού στρώματος medium - πρέπει να είναι πορώδες, αναπνεύσιμο υλικό.
- Το υλικό GDL παίζει το ρόλο του αγωγού ρεύματος και πρέπει να είναι υλικό υψηλής αγωγιμότητας.
- Η αντίδραση της μπαταρίας είναι εξώθερμη- το υλικό GDL πρέπει να είναι υλικό υψηλής θερμικής αγωγιμότητας- η απαγωγή της θερμότητας πρέπει να είναι έγκαιρη ώστε να αποφεύγεται η τοπική υπερθέρμανση που προκαλείται από τη θραύση της μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων.
- Το υλικό GDL πρέπει να έχει υψηλή υδροφοβικότητα για να αποφευχθεί η βλάβη του στρώματος καταλύτη από το νερό που παράγεται από την αντίδραση της μπαταρίας
Χαρτί ινών άνθρακα
Το χαρτί ινών άνθρακα (που αναφέρεται ως χαρτί άνθρακα) κατασκευάζεται από ίνες άνθρακα μικρής διάρκειας ως πρώτη ύλη. αυτό έχει μια πορώδη δομή ινών σε μικροσκοπικό επίπεδο, η οποία μπορεί να δημιουργήσει αποτελεσματικά κανάλια για την αγωγή αερίου και νερού. Ταυτόχρονα, το χαρτί άνθρακα έχει τα πλεονεκτήματα του μικρού βάρους, της επίπεδης επιφάνειας, της αντοχής στη διάβρωση και του ομοιόμορφου πορώδους. Επιπλέον, η υψηλή αντοχή του χαρτιού άνθρακα μπορεί να φέρει προστασία για την εγκατάσταση και τη χρήση των μπαταριών PEMFC, να σταθεροποιήσει τη δομή του ηλεκτροδίου και να βελτιώσει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Η διαδικασία κατασκευής χαρτιού άνθρακα είναι ώριμη, με σταθερή απόδοση- ως εκ τούτου, το χαρτί άνθρακα έχει γίνει η κύρια επιλογή για υλικά στρώματος διάχυσης αερίου στο ηλεκτρόδιο μεμβράνης. Το ηλεκτρόδιο μεμβράνης με χαρτί άνθρακα ως στρώμα διάχυσης αερίου φαίνεται στο σχήμα 1. Λόγω της διάταξης του προσανατολισμού των ινών κατά τη διαδικασία παρασκευής του χαρτιού άνθρακα, το ίδιο το χαρτί άνθρακα έχει διάφορες ανισοτροπίες.
Δεδομένου ότι η θερμική αγωγιμότητα είναι ένας από τους σημαντικούς δείκτες των υλικών GDL, στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκαν δοκιμές θερμικής αγωγιμότητας σε δείγμα χαρτιού άνθρακα με τη βοήθεια του NETZSCH LFA HyperFlash®®. Σε αυτή τη δοκιμή, το LFA 467 χρησιμοποιήθηκε για τη δοκιμή της θερμικής διαπερατότητας του δείγματος χαρτιού άνθρακα σε οριζόντια και κάθετη κατεύθυνση αντίστοιχα, και το DSC χρησιμοποιήθηκε για τη δοκιμή της ειδικής θερμοχωρητικότητας του δείγματος χαρτιού άνθρακα. Η θερμική αγωγιμότητα του δείγματος προέκυψε από τον πολλαπλασιασμό της θερμικής διάχυσης, της ειδικής θερμοχωρητικότητας και της πυκνότητας (σε θερμοκρασία δωματίου) του δείγματος.
Εφαρμογές
Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της δοκιμής θερμικής αγωγιμότητας στην οριζόντια διεύθυνση για το εν λόγω δείγμα χαρτιού άνθρακα (σχήμα 2). Το στήριγμα που χρησιμοποιήθηκε για τη δοκιμή αυτή είναι ένας κάτοχος δείγματος σε επίπεδο (σχήμα 3), ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δοκιμή της θερμικής διαχυτικότητας υλικών λεπτών υμενίων υψηλής θερμικής αγωγιμότητας στην οριζόντια διεύθυνση. Παρατηρείται ότι η θερμική διαχυτότητα στην οριζόντια διεύθυνση του δείγματος στους 25°C και 100°C είναι 58,610 mm2/s και 50,122 mm2/s, αντίστοιχα, και η θερμική αγωγιμότητα είναι 20,568 W/(m*K) και 21,794 W/(m*K), αντίστοιχα.
Στο Σχήμα 4 παρουσιάζεται η δοκιμασμένη καμπύλη αύξησης της θερμοκρασίας και φαίνεται ότι οι καμπύλες δοκιμής (ακατέργαστο σήμα - μπλε) και η προσαρμοσμένη καμπύλη (αξιολόγηση μοντέλου - κόκκινο) βρίσκονται σε πολύ καλή συμφωνία.
Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της δοκιμής θερμικής αγωγιμότητας για το εν λόγω δείγμα χαρτιού άνθρακα στην κατακόρυφη διεύθυνση.
Το στήριγμα που χρησιμοποιήθηκε για τη δοκιμή αυτή ήταν μια θήκη δειγμάτων από φύλλο αλουμινίου (σχήμα 5), η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δοκιμή της θερμικής διαχυτότητας δειγμάτων λεπτών υμενίων στην κατακόρυφη διεύθυνση. Από τα αποτελέσματα φαίνεται ότι η θερμική διαχυτότητα στην κατακόρυφη διεύθυνση του δείγματος είναι 7,463 mm2/s και 6,408 mm2/s στους 25°C και 100°C, αντίστοιχα, και η θερμική αγωγιμότητα είναι 2,619 W/(m*K) και 2,786 W/(m*K), αντίστοιχα. Η θερμική αγωγιμότητα των δειγμάτων στην οριζόντια διεύθυνση είναι σημαντικά υψηλότερη από εκείνη στην κατακόρυφη διεύθυνση, με εμφανή ατομική ανισοτροπία. Επειδή το δείγμα έχει πορώδη δομή ινών, υπάρχει ένας ορισμένος βαθμός μετάδοσης του φωτός κατά τη δοκιμή στην κατακόρυφη κατεύθυνση.
Περίληψη
Στις κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων, το στρώμα διάχυσης αερίου αποτελεί σημαντικό συστατικό του ηλεκτροδίου μεμβράνης και το κόστος του αντιπροσωπεύει συνήθως το 20-25% του κόστους του ηλεκτροδίου μεμβράνης.
Η ανάλυση της βιομηχανίας προέβλεψε ότι το μέγεθος της αγοράς για τα παγκόσμια υλικά στρώματος διάχυσης αερίου θα φθάσει τα 3,34 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ μέχρι το 2024. Το χαρτί άνθρακα, ως το προτιμώμενο υλικό για το στρώμα διάχυσης αερίου, έχει ένα πολύ ελπιδοφόρο μέλλον για την ανάπτυξη της βιομηχανίας στην Κίνα. Η θερμική αγωγιμότητα είναι ένας από τους σημαντικούς δείκτες για τα χαρτιά άνθρακα. Με τον αναλυτή θερμικής αγωγιμότητας NETZSCH Flash LFA 467 και τη βάση του στο επίπεδο και τη βάση δείγματος φύλλου, η θερμική αγωγιμότητα των δειγμάτων χαρτιού άνθρακα σε οριζόντια και κάθετη κατεύθυνση μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια και ευκολία.