Pila de combustible de intercambio protónico (PEMFC)
La pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), como pila de combustible emergente de baja temperatura, tiene las ventajas de su alta eficiencia, baja temperatura de funcionamiento y cero emisiones, lo que constituye una de las principales direcciones de desarrollo de la nueva energía verde.
El componente central de la PEMFC es el conjunto de electrodos de membrana (MEA), que consta de dos capas de difusión de gas (GDL), dos capas catalíticas y una membrana de intercambio de protones.
El principio de reacción de una pila de combustible PEMFC se muestra en la figura 1. La pila individual PEMFC consta de un EMA (ánodo, cátodo y membrana de intercambio protónico) y placas bipolares. El ánodo es el lugar donde se produce la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación del hidrógeno combustible, y el cátodo es el lugar donde se produce la redox. Ambos polos contienen catalizadores para acelerar la reacción electroquímica de los electrodos, y generalmente se utilizan platino/carbono o platino/rutenio como electrocatalizadores. La membrana de intercambio de protones actúa como electrolito; el hidrógeno o el gas reformado purificado es el combustible; el aire o el oxígeno puro es el oxidante; y el grafito o la placa metálica de superficie modificada con el canal de flujo de gas es la placa bipolar. El hidrógeno y el oxígeno con una cierta humedad y presión entran en el ánodo y el cátodo, respectivamente, y alcanzan la interfaz entre la capa de catalizador y la membrana de intercambio de protones a través de la capa de difusión de gas (papel carbón en la figura), donde tienen lugar las reacciones de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación y reducción bajo la acción del catalizador.
Ánodo: H2 → 2H+ + 2e-
Cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2 e- → H2O
Reacción total de la pila: H2 + ½ O2 → H2O
En el ánodo, el hidrógeno gaseoso reacciona electroquímicamente para formar iones de hidrógeno y electrones. A continuación, los iones de hidrógeno son conducidos al cátodo a través de una membrana de intercambio de protones (las propiedades únicas de la membrana de intercambio de protones sólo permiten el paso de iones de hidrógeno) y los electrones llegan al cátodo a través de un circuito externo, donde los iones de hidrógeno, los electrones y el oxígeno reaccionan para formar agua. El agua generada se descarga por la salida del cátodo en forma de vapor de agua o condensado junto con el exceso de oxígeno.
Capa de difusión de gas (GDL)
La capa de difusión de gas (GDL) está situada en ambos extremos del electrodo de membrana, que es uno de los componentes importantes de la pila de combustible; su función incluye el soporte de la membrana de intercambio de protones, el recubrimiento del catalizador, la conexión del electrodo de membrana con la placa bipolar, etc.
El material de la GDL debe tener los siguientes puntos en términos de rendimiento:
- Debido a que el GDL se encuentra entre la placa bipolar y la capa de catalizador, la reacción electroquímica (es decir, la DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad de corriente) es muy alta - hay un alto grado de corrosión galvánica - por lo que el material GDL debe tener resistencia a la corrosión.
- El material GDL - como la difusión de hidrógeno / oxígeno o metanol / aire a la reacción de la capa catalizadora medium - debe ser un material poroso y transpirable.
- El material GDL desempeña el papel de conductor de corriente y debe ser un material altamente conductor.
- La reacción de la batería es exotérmica; el material GDL debe ser un material de alta conductividad térmica; la disipación del calor debe ser oportuna para evitar el sobrecalentamiento local causado por la rotura de la membrana de intercambio de protones.
- El material GDL debe tener una alta hidrofobicidad para evitar daños en la capa catalizadora causados por el agua generada por la reacción de la pila
Papel de fibra de carbono
El papel de fibra de carbono (denominado papel de carbono) se fabrica a partir de fibras de carbono cortadas como materia prima; éste tiene una estructura porosa de fibra en microscópica, que puede establecer canales eficaces para la conducción de gas y agua. Al mismo tiempo, el papel de carbono tiene las ventajas de un peso ligero, una superficie plana, resistencia a la corrosión y una porosidad uniforme. Además, la alta resistencia del papel de carbono puede aportar protección para la instalación y el uso de las baterías PEMFC, estabilizar la estructura del electrodo y mejorar la vida útil de la batería. El proceso de fabricación del papel de carbono es maduro, con un rendimiento estable; por lo tanto, el papel de carbono se ha convertido en la elección principal para los materiales de la capa de difusión de gas en el electrodo de membrana. En la Figura 1 se muestra el electrodo de membrana con papel de carbono como capa de difusión de gas. Debido a la disposición de la orientación de las fibras en el proceso de preparación del papel de carbono, éste presenta diversas anisotropías.
Dado que la conductividad térmica es uno de los índices importantes de los materiales GDL, en este trabajo se realizaron pruebas de conductividad térmica en una muestra de papel de carbono mediante el NETZSCH LFA HyperFlash®®. En esta prueba, el LFA 467 se utilizó para probar la difusividad térmica de la muestra de papel de carbono en direcciones horizontal y vertical respectivamente, y el DSC se utilizó para probar la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica de la muestra de papel de carbono. La conductividad térmica de la muestra se obtuvo multiplicando la difusividad térmica, la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica y la DensidadThe mass density is defined as the ratio between mass and volume. densidad (a temperatura ambiente) de la muestra.
Aplicaciones
La tabla 1 muestra los resultados del ensayo de conductividad térmica en dirección horizontal para esta muestra de papel carbón (figura 2). El soporte utilizado para esta prueba es un portamuestras en plano (figura 3), que puede utilizarse para probar la difusividad térmica de materiales de película fina de alta conductividad térmica en dirección horizontal. Se puede observar que la difusividad térmica en la dirección horizontal de la muestra a 25°C y 100°C es de 58,610 mm2/s y 50,122 mm2/s, respectivamente, y la conductividad térmica es de 20,568 W/(m*K) y 21,794 W/(m*K), respectivamente.
La figura 4 muestra la curva de aumento de temperatura probada, y puede verse que las curvas de prueba (señal bruta - azul) y la curva ajustada (evaluación del modelo - rojo) concuerdan muy bien.
La tabla 2 muestra los resultados del ensayo de conductividad térmica de esta muestra de papel carbón en dirección vertical.
El soporte utilizado para este ensayo fue un portamuestras de lámina (figura 5) que puede utilizarse para comprobar la difusividad térmica de muestras de película fina en dirección vertical. De los resultados se desprende que la difusividad térmica en la dirección vertical de la muestra es de 7,463 mm2/s y 6,408 mm2/s a 25°C y 100°C, respectivamente, y la conductividad térmica es de 2,619 W/(m*K) y 2,786 W/(m*K), respectivamente. La conductividad térmica de las muestras en la dirección horizontal es significativamente superior a la de la dirección vertical, con una evidente anisotropía individual. Debido a que la muestra tiene una estructura de fibra porosa, hay un cierto grado de transmisión de luz cuando se realizan pruebas en la dirección vertical.
Resumen
En las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, la capa de difusión de gas es un componente importante del electrodo de membrana, y su coste suele representar entre el 20 y el 25% del coste del electrodo de membrana.
Los análisis del sector predicen que el tamaño del mercado mundial de materiales para capas de difusión de gas alcanzará los 3.340 millones de dólares en 2024. El papel carbón, como material preferido para la capa de difusión de gas, tiene un futuro muy prometedor para el desarrollo de la industria en China. La conductividad térmica es uno de los indicadores importantes de los papeles de carbono. Con el NETZSCH Flash Thermal Conductivity Analyzer LFA 467 y su soporte en el plano y el soporte de muestras de lámina, la conductividad térmica de las muestras de papel de carbono en las direcciones horizontal y vertical se puede probar con precisión y comodidad.