Protoncserélő üzemanyagcella (PEMFC)
A protoncserélő membrános üzemanyagcella (PEMFC), mint feltörekvő alacsony hőmérsékletű üzemanyagcella, előnye a nagy hatékonyság, az alacsony működési hőmérséklet és a nulla kibocsátás, ami az új zöld energia egyik fő fejlesztési iránya.
A PEMFC központi eleme a membránelektród-szerelvény (MEA), amely két gázdiffúziós rétegből (GDL), két katalitikus rétegből és egy protoncserélő membránból áll.
A PEMFC üzemanyagcella reakcióelvét az 1. ábra mutatja. A PEMFC egyelemű cella egy EMA (anód, katód és protoncserélő membrán) és bipoláris lemezekből áll. Az anódon történik a hidrogén üzemanyag OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációja, a katódon pedig a redoxi. Mindkét pólus katalizátorokat tartalmaz az elektródák elektrokémiai reakciójának felgyorsítására, és elektrokatalizátorként általában platina/szén vagy platina/ruthéniumot használnak. A protoncserélő membrán az elektrolit; a hidrogén vagy a tisztított reformgáz az üzemanyag; a levegő vagy a tiszta oxigén az oxidálószer; és a grafit vagy a felületmódosított fémlemez a gázáramlási csatornával a kétpólusú lemez. A hidrogén és az oxigén bizonyos nedvességgel és nyomással belép az anódra, illetve a katódra, és a gázdiffúziós rétegen (az ábrán szénpapír) keresztül eléri a katalizátorréteg és a protoncserélő membrán közötti határfelületet, ahol a katalizátor hatására OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációs és redukciós reakciók játszódnak le.
Anód:H2 → 2H+ + 2e-
Katód: ½ O2 + 2H+ + 2e- →H2O
Az akkumulátor teljes reakciója: H2 + ½ O2 → H2O
Az anódon a hidrogéngáz elektrokémiai reakcióban hidrogénionokat és elektronokat képez. A hidrogénionok ezután egy protoncserélő membránon keresztül a katódhoz jutnak (a protoncserélő membrán egyedi tulajdonságai csak a hidrogénionok áthaladását teszik lehetővé), az elektronok pedig egy külső áramkörön keresztül jutnak a katódhoz, ahol a hidrogénionok, az elektronok és az oxigén reakciója vízzé alakul. A keletkezett víz a katód kimenetén vízgőz vagy kondenzátum formájában távozik a felesleges oxigénnel együtt.
Gázdiffúziós réteg (GDL)
A gázdiffúziós réteg (GDL) a membránelektród mindkét végén helyezkedik el, amely az üzemanyagcella egyik fontos összetevője; szerepe többek között a protoncserélő membrán alátámasztása, a katalizátor bevonása, a membránelektród és a bipoláris lemez összekapcsolása stb.
A GDL-anyagnak a teljesítmény szempontjából a következő pontokkal kell rendelkeznie:
- Mivel a GDL a bipoláris lemez és a katalizátorréteg között van, az elektrokémiai reakció (azaz az áramsűrűség) nagyon nagy - nagyfokú galvánkorrózió lép fel -, ezért a GDL-anyagnak korrózióállónak kell lennie.
- A GDL-anyagnak - mivel a hidrogén/oxigén vagy metanol/levegő diffúziója a katalizátorréteg reakciójához medium - porózus, lélegző anyagnak kell lennie.
- A GDL-anyag az áramvezető szerepét tölti be, ezért nagy vezetőképességű anyagnak kell lennie.
- Az akkumulátor reakciója exoterm; a GDL anyagnak nagy Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességű anyagnak kell lennie; a hőelvezetésnek időben kell történnie, hogy elkerülhető legyen a protoncserélő membrán törése által okozott helyi túlmelegedés.
- A GDL-anyagnak nagy hidrofóbitással kell rendelkeznie, hogy elkerülhető legyen a katalizátorrétegnek az akkumulátor reakciója során keletkező víz által okozott károsodása
Szénszálas papír
A szénszálas papírt (szénpapír) nyersanyagként rövidre vágott szénszálakból állítják elő; ez mikroszkopikusan porózus szerkezetű szálakkal rendelkezik, amelyek hatékony csatornákat hozhatnak létre a gáz- és vízvezetéshez. Ugyanakkor a szénpapír előnyei a könnyű súly, a sima felület, a korrózióállóság és az egyenletes porozitás. Ezenkívül a szénpapír nagy szilárdsága védelmet nyújthat a PEMFC akkumulátorok telepítéséhez és használatához, stabilizálhatja az elektródaszerkezetet és javíthatja az akkumulátor élettartamát. A szénpapír gyártási folyamata érett, stabil teljesítményű; ezért a szénpapír a membránelektródban a gázdiffúziós réteg anyagainak fő választása lett. A szénpapírral mint gázdiffúziós réteggel ellátott membránelektród az 1. ábrán látható. A szénpapír előállítási folyamatában a szálak orientációs elrendezése miatt maga a szénpapír különböző anizotrópiákkal rendelkezik.
Tekintettel arra, hogy a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség a GDL-anyagok egyik fontos mutatója, ebben a munkában a NETZSCH LFA HyperFlash®® segítségével hővezetési vizsgálatokat végeztünk egy szénpapírmintán. Ebben a vizsgálatban az LFA 467 készüléket a szénpapírminta vízszintes, illetve függőleges irányú Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességének vizsgálatára, a DSC készüléket pedig a szénpapírminta Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitásának vizsgálatára használtuk. A minta Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség, a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás és a minta sűrűsége (szobahőmérsékleten) szorzataként kaptuk meg.
Alkalmazások
Az 1. táblázat a vízszintes irányú hővezetési vizsgálat eredményeit mutatja a szénpapírminta esetében (2. ábra). A vizsgálathoz használt tartó egy síkban elhelyezett mintatartó (3. ábra), amely alkalmas a nagy Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességű vékonyrétegű anyagok vízszintes irányú hővezetési képességének vizsgálatára. Látható, hogy a minta vízszintes irányú hővezetési tényezője 25 °C-on és 100 °C-on 58,610 mm2/s, illetve 50,122 mm2/s, a hővezetési tényező pedig 20,568 W/(m*K), illetve 21,794 W/(m*K).
A 4. ábra a vizsgált hőmérséklet-emelkedési görbét mutatja, és látható, hogy a vizsgálati görbék (nyers jel - kék) és a illesztett görbe (modellértékelés - piros) nagyon jó egyezést mutatnak.
A 2. táblázat a szénpapírminta hővezetési vizsgálatának eredményeit mutatja a függőleges irányban.
A vizsgálathoz használt tartóeszköz egy fóliás mintatartó volt (5. ábra), amely alkalmas a vékonyréteg-minták függőleges irányú hővezetési képességének vizsgálatára. Az eredményekből látható, hogy a minta függőleges irányú hővezetési tényezője 25 °C-on 7,463 mm2/s, illetve 100 °C-on 6,408 mm2/s, a hővezetési tényező pedig 2,619 W/(m*K), illetve 2,786 W/(m*K). A minták vízszintes irányú hővezetési tényezője jelentősen magasabb, mint a függőleges irányú, nyilvánvaló egyéni anizotrópiával. Mivel a minta porózus szálszerkezetű, a függőleges irányú vizsgálat során bizonyos fokú fényáteresztés tapasztalható.
Összefoglaló
A protoncserélő membrános üzemanyagcellákban a gázdiffúziós réteg a membránelektród fontos összetevője, és költsége általában a membránelektród költségének 20-25%-át teszi ki.
Az iparági elemzés előrejelzése szerint a globális gázdiffúziós réteganyagok piacának mérete 2024-re eléri a 3,34 milliárd USD-t. A szénpapír, mint a gázdiffúziós réteg preferált anyaga, nagyon ígéretes jövő elé néz az iparág fejlődése szempontjából Kínában. A Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség a szénpapírok egyik fontos mutatója. A NETZSCH Flash Thermal Conductivity Analyzer LFA 467 készülékkel és annak síkbeli tartójával és fóliamintatartójával a szénpapírminták vízszintes és függőleges irányú hővezetőképessége pontosan és kényelmesen vizsgálható.