Protoninvaihtopolttokenno (PEMFC)
Protoninvaihtokalvopolttokennolla (PEMFC), joka on kehittyvä matalan lämpötilan polttokenno, on korkean hyötysuhteen, alhaisen käyttölämpötilan ja päästöttömyyden edut, mikä on yksi uuden vihreän energian tärkeimmistä kehityssuunnista.
PEMFC:n ydinkomponentti on kalvoelektrodikokoonpano (Membrane Electrode Assembly, MEA), joka koostuu kahdesta kaasudiffuusiokerroksesta (Gas Diffusion Layers, GDL), kahdesta katalyyttikerroksesta ja protoninvaihtokalvosta.
PEMFC-polttokennon reaktioperiaate on esitetty kuvassa 1. PEMFC-kenno koostuu EMA:sta (anodi, katodi ja protoninvaihtokalvo) ja bipolaarisista levyistä. Anodilla tapahtuu polttoainevedyn HapettuminenHapettumisella voidaan kuvata erilaisia prosesseja lämpöanalyysin yhteydessä.hapettuminen ja katodilla tapahtuu redox. Molemmat navat sisältävät katalyyttejä elektrodien sähkökemiallisen reaktion kiihdyttämiseksi, ja elektrokatalyytteinä käytetään yleensä platinaa/hiiltä tai platinaa/ruteniumia. Protoninvaihtokalvo toimii elektrolyyttinä, vety tai puhdistettu reformoitu kaasu on polttoaine, ilma tai puhdas happi on hapetin ja grafiitti tai pintamodifioitu metallilevy, jossa on kaasun virtauskanava, on kaksinapalevy. Vety ja happi, joilla on tietty kosteus ja paine, tulevat anodille ja katodille ja pääsevät katalyyttikerroksen ja protoninvaihtokalvon väliselle rajapinnalle kaasudiffuusiokerroksen (kuvassa hiilipaperi) kautta, jossa hapettumis- ja pelkistysreaktiot tapahtuvat katalyytin vaikutuksesta.
Anodi:H2 → 2H+ + 2e-
Katodi: ½ O2 + 2H+ + 2e- →H2O
Akun kokonaisreaktio: H2 + ½ O2 → H2O
Vetykaasu reagoi anodilla sähkökemiallisesti muodostaen vetyioneja ja elektroneja. Vetyionit johdetaan sitten katodille protoninvaihtokalvon kautta (protoninvaihtokalvon ainutlaatuisten ominaisuuksien ansiosta vain vetyionit pääsevät sen läpi), ja elektronit pääsevät katodille ulkoisen virtapiirin kautta, jossa vetyionit, elektronit ja happi reagoivat muodostaen vettä. Syntynyt vesi poistuu katodin ulostuloaukosta vesihöyrynä tai kondensaattina yhdessä ylimääräisen hapen kanssa.
Kaasudiffuusiokerros (GDL)
Kaasudiffuusiokerros (GDL) sijaitsee kalvoelektrodin molemmissa päissä, ja se on yksi polttokennon tärkeistä komponenteista; sen tehtävänä on muun muassa tukea protoninvaihtokalvoa, päällystää katalyytti, yhdistää kalvoelektrodi bipolaariseen levyyn jne.
GDL-materiaalilla on oltava seuraavat ominaisuudet:
- Koska GDL on bipolaarisen levyn ja katalyyttikerroksen välissä, sähkökemiallinen reaktio (eli virrantiheys) on hyvin suuri - galvaaninen korroosio on suuri - joten GDL-materiaalin on oltava korroosionkestävää.
- GDL-materiaalin on oltava huokoista, hengittävää materiaalia, koska vety/happi tai metanoli/ilma diffundoituu katalyyttikerrokseen medium. Tämän materiaalin on oltava huokoinen ja hengittävä.
- GDL-materiaalilla on virranjohtimen rooli, ja sen on oltava hyvin johtavaa materiaalia.
- Akkureaktio on EksoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on eksoterminen, jos siinä syntyy lämpöä.eksoterminen; GDL-materiaalin on oltava hyvin lämpöä johtavaa materiaalia; lämmönpoiston on tapahduttava ajoissa, jotta vältetään protoninvaihtokalvon rikkoutumisesta johtuva paikallinen ylikuumeneminen.
- GDL-materiaalilla on oltava korkea hydrofobisuus, jotta vältetään akkureaktiossa syntyvän veden katalyyttikerrokselle aiheuttamat vauriot
Hiilikuitupaperi
Hiilikuitupaperi (kutsutaan hiilipaperiksi) valmistetaan raaka-aineena lyhyistä hiilikuiduista; tällä on mikroskooppinen kuituhuokoinen rakenne, joka voi luoda tehokkaita kanavia kaasun ja veden johtamiseen. Samalla hiilipaperin etuja ovat keveys, tasainen pinta, korroosionkestävyys ja tasainen huokoisuus. Lisäksi hiilipaperin suuri lujuus voi suojata PEMFC-akkujen asennusta ja käyttöä, vakauttaa elektrodirakennetta ja parantaa akun käyttöikää. Hiilipaperin valmistusprosessi on kypsä, ja sen suorituskyky on vakaa; siksi hiilipaperista on tullut valtavirran valinta kalvoelektrodin kaasudiffuusiokerroksen materiaaleiksi. Kalvoelektrodi, jossa hiilipaperi on kaasudiffuusiokerroksena, on esitetty kuvassa 1. Hiilipaperin valmistusprosessissa tapahtuvan kuitujen suuntautumisjärjestyksen vuoksi hiilipaperilla itsellään on erilaisia anisotrooppisuuksia.
Koska LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on yksi GDL-materiaalien tärkeistä tunnusluvuista, tässä työssä hiilipaperinäytteelle tehtiin lämmönjohtavuustestejä NETZSCH LFA HyperFlash®® -laitteella. Tässä testissä LFA 467 -laitteella testattiin hiilipaperinäytteen lämmönjohtavuutta vaaka- ja pystysuunnassa ja DSC-laitteella hiilipaperinäytteen ominaislämpökapasiteettia. Näytteen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus saatiin kertomalla lämpödiffuusiokyky, ominaislämpökapasiteetti ja näytteen TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys (huoneenlämmössä).
Sovellukset
Taulukossa 1 esitetään tämän hiilipaperinäytteen lämmönjohtavuustestin tulokset vaakasuunnassa (kuva 2). Tässä testissä käytetty tuki on tasossa oleva näytteenpidin (kuva 3), jota voidaan käyttää suuren lämmönjohtavuuden omaavien ohutkalvomateriaalien lämmönjohtavuuden testaamiseen vaakasuunnassa. Näytteen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus vaakasuunnassa 25 °C:ssa on 58,610 mm2/s ja 100 °C:ssa 50,122 mm2/s, ja LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on 20,568 W/(m*K) ja 21,794 W/(m*K).
Kuvassa 4 on testattu lämpötilan nousukäyrä, ja voidaan nähdä, että testikäyrät (raakasignaali - sininen) ja sovitettu käyrä (mallin arviointi - punainen) ovat erittäin hyvässä sopusoinnussa.
Taulukossa 2 esitetään tämän hiilipaperinäytteen lämmönjohtavuustestin tulokset pystysuunnassa.
Tässä testissä käytettiin tukena folionäytteen pidikettä (kuva 5), jota voidaan käyttää ohutkalvonäytteiden lämpödiffuusiokyvyn testaamiseen pystysuunnassa. Tuloksista nähdään, että näytteen lämpödiffuusiokyky pystysuunnassa on 7,463 mm2/s ja 6,408 mm2/s 25 °C:n ja 100 °C:n lämpötiloissa ja LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on 2,619 W/(m*K) ja 2,786 W/(m*K). Näytteiden LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus vaakasuunnassa on huomattavasti korkeampi kuin pystysuunnassa, ja niissä on selvä yksilöllinen anisotropia. Koska näytteessä on huokoinen kuiturakenne, valonläpäisyä tapahtuu jonkin verran pystysuuntaisessa testauksessa.
Yhteenveto
Protoninvaihtokalvopolttokennoissa kaasudiffuusiokerros on tärkeä osa kalvoelektrodia, ja sen kustannukset ovat yleensä 20-25 prosenttia kalvoelektrodin kustannuksista.
Teollisuusanalyysin mukaan kaasudiffuusiokerroksen materiaalien maailmanlaajuisten markkinoiden koko nousee 3,34 miljardiin Yhdysvaltain dollariin vuoteen 2024 mennessä. Hiilipaperilla, joka on kaasudiffuusiokerroksen ensisijainen materiaali, on erittäin lupaava tulevaisuus Kiinan teollisuuden kehityksen kannalta. LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.Lämmönjohtavuus on yksi hiilipaperin tärkeistä indikaattoreista. NETZSCH Flash Thermal Conductivity Analyzer LFA 467 -analysaattorilla ja sen tasossa olevalla pidikkeellä ja folionäytteen pidikkeellä hiilipaperinäytteiden LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus vaaka- ja pystysuunnassa voidaan testata tarkasti ja kätevästi.