Pile à combustible à échange de protons (PEMFC)
La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), nouvelle pile à combustible à basse température, présente les avantages d'un rendement élevé, d'une température de fonctionnement basse et d'une absence d'émissions, ce qui en fait l'un des principaux axes de développement des nouvelles énergies vertes.
Le composant central de la PEMFC est l'assemblage membrane-électrode (MEA), qui se compose de deux couches de diffusion des gaz (GDL), de deux couches catalytiques et d'une membrane d'échange de protons.
Le principe de réaction d'une pile à combustible PEMFC est illustré à la figure 1. The PEMFC single cell consists of an EMA (anode, cathode and proton exchange membrane) and bipolar plates. L'anode est l'endroit où se produit l'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation de l'hydrogène et la cathode est l'endroit où se produit l'oxydoréduction. Les deux pôles contiennent des catalyseurs pour accélérer la réaction électrochimique des électrodes, et le platine/carbone ou le platine/ruthénium sont généralement utilisés comme électrocatalyseurs. The proton exchange membrane acts as the electrolyte; hydrogen or purified reformed gas is the fuel; air or pure oxygen is the oxidant; and the graphite or the surface-modified metal plate with the gas flow channel is the bipolar plate. L'hydrogène et l'oxygène, avec une certaine humidité et une certaine pression, pénètrent respectivement dans l'anode et la cathode et atteignent l'interface entre la couche catalytique et la membrane d'échange de protons à travers la couche de diffusion des gaz (papier carbone sur la figure), où des réactions d'OxydationL'oxydation peut décrire différents processus dans le contexte de l'analyse thermique.oxydation et de réduction ont lieu sous l'action du catalyseur.
Anode :H2 → 2H+ + 2e-
Cathode : ½ O2 + 2H+ + 2 e- →H2O
Réaction totale de la batterie : H2 + ½ O2 → H2O
À l'anode, l'hydrogène gazeux réagit électrochimiquement pour former des ions hydrogène et des électrons. Les ions hydrogène sont ensuite conduits à la cathode à travers une membrane d'échange de protons (les propriétés uniques de la membrane d'échange de protons permettent uniquement le passage des ions hydrogène) et les électrons atteignent la cathode à travers un circuit externe, où les ions hydrogène, les électrons et l'oxygène réagissent pour former de l'eau. L'eau générée est évacuée par la sortie de la cathode sous forme de vapeur d'eau ou de condensat, avec l'oxygène en excès.
Couche de diffusion des gaz (GDL)
The Gas Diffusion Layer (GDL) is located at both ends of the membrane electrode, which is one of the important components of the fuel cell; its role includes supporting the proton exchange membrane, coating the catalyst, connecting the membrane electrode with the bipolar plate, etc.
Le matériau de la GDL doit présenter les caractéristiques suivantes en termes de performances :
- Because the GDL is between the bipolar plate and the catalyst layer, the electrochemical reaction (i.e., the current density) is very high – there is a high degree of galvanic corrosion – so the GDL material must have corrosion resistance.
- Le matériau de la GDL - en raison de la diffusion de l'hydrogène/oxygène ou du méthanol/air vers la réaction de la couche catalytique medium - doit être un matériau poreux et perméable à l'air.
- Le matériau de la GDL joue le rôle de conducteur de courant et doit être un matériau hautement conducteur.
- La réaction de la batterie est ExothermiqueA sample transition or a reaction is exothermic if heat is generated.exothermique ; le matériau de la GDL doit avoir une conductivité thermique élevée ; la dissipation de la chaleur doit se faire en temps utile pour éviter une surchauffe locale causée par la rupture de la membrane d'échange de protons.
- Le matériau de la GDL doit être très hydrophobe afin d'éviter que la couche catalytique ne soit endommagée par l'eau générée par la réaction de la batterie
Papier en fibre de carbone
Le papier à base de fibres de carbone (appelé papier carbone) est fabriqué à partir de fibres de carbone coupées court comme matière première ; il possède une structure poreuse microscopique, qui peut établir des canaux efficaces pour la conduction du gaz et de l'eau. En même temps, le papier carbone présente les avantages d'un poids léger, d'une surface plane, d'une résistance à la corrosion et d'une porosité uniforme. En outre, la résistance élevée du papier carbone peut protéger l'installation et l'utilisation des piles PEMFC, stabiliser la structure de l'électrode et améliorer la durée de vie de la pile. Le processus de fabrication du papier carbone est mûr, avec des performances stables ; par conséquent, le papier carbone est devenu le choix principal pour les matériaux de la couche de diffusion de gaz dans l'électrode à membrane. L'électrode à membrane avec du papier carbone comme couche de diffusion de gaz est illustrée à la figure 1. En raison de l'orientation des fibres dans le processus de préparation du papier carbone, ce dernier présente diverses anisotropies.
Étant donné que la conductivité thermique est l'un des indices importants des matériaux GDL, des tests de conductivité thermique ont été effectués sur un échantillon de papier carbone à l'aide du LFA NETZSCH HyperFlash® ®. Dans ce test, le LFA 467 a été utilisé pour tester la diffusivité thermique de l'échantillon de papier carbone dans les directions horizontales et verticales respectivement, et le DSC a été utilisé pour tester la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique de l'échantillon de papier carbone. La conductivité thermique de l'échantillon a été obtenue en multipliant la diffusivité thermique, la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique et la densité (à température ambiante) de l'échantillon.
Applications
Le tableau 1 présente les résultats du test de conductivité thermique dans le sens horizontal pour cet échantillon de papier carbone (figure 2). Le support utilisé pour cet essai est un porte-échantillon dans le plan (figure 3), qui peut être utilisé pour tester la diffusivité thermique de matériaux en couches minces à haute conductivité thermique dans le sens horizontal. On constate que la diffusivité thermique dans le sens horizontal de l'échantillon à 25°C et 100°C est respectivement de 58,610 mm2/s et 50,122 mm2/s, et que la conductivité thermique est respectivement de 20,568 W/(m*K) et 21,794 W/(m*K).
La figure 4 montre la courbe d'augmentation de la température testée, et l'on peut voir que les courbes testées (signal brut - bleu) et la courbe ajustée (évaluation du modèle - rouge) sont en très bon accord.
Le tableau 2 présente les résultats du test de conductivité thermique pour cet échantillon de papier carbone dans le sens vertical.
Le support utilisé pour ce test était un porte-échantillon en feuille (figure 5) qui peut être utilisé pour tester la diffusivité thermique d'échantillons de films minces dans la direction verticale. Les résultats montrent que la diffusivité thermique dans le sens vertical de l'échantillon est de 7,463 mm2/s et 6,408 mm2/s à 25°C et 100°C, respectivement, et que la conductivité thermique est de 2,619 W/(m*K) et 2,786 W/(m*K), respectivement. La conductivité thermique des échantillons dans la direction horizontale est significativement plus élevée que dans la direction verticale, avec une anisotropie individuelle évidente. L'échantillon ayant une structure de fibre poreuse, il y a un certain degré de transmission de la lumière lors des essais dans le sens vertical.
Résumé
Dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons, la couche de diffusion des gaz est un composant important de l'électrode à membrane, et son coût représente généralement 20 à 25 % du coût de l'électrode à membrane.
L'analyse de l'industrie prévoit que la taille du marché mondial des matériaux de la couche de diffusion gazeuse atteindra 3,34 milliards USD d'ici 2024. Le papier carbone, matériau de prédilection pour la couche de diffusion des gaz, a un avenir très prometteur pour le développement de l'industrie en Chine. La conductivité thermique est l'un des indicateurs importants pour les papiers carbone. Avec l'analyseur de conductivité thermique LFA 467 de NETZSCH Flash, son support en plan et son support d'échantillon en feuille, la conductivité thermique des échantillons de papier carbone dans les directions horizontales et verticales peut être testée de manière précise et pratique.