Cella a combustibile a scambio di protoni (PEMFC)
La PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), una cella a combustibile emergente a bassa temperatura, presenta i vantaggi di un'elevata efficienza, di una bassa temperatura di funzionamento e di emissioni zero, e rappresenta una delle principali direzioni di sviluppo della nuova energia verde.
Il componente principale della PEMFC è il gruppo elettrodo membrana (MEA), che consiste in due strati di diffusione del gas (GDL), due strati catalitici e una membrana a scambio protonico.
Il principio di reazione di una cella a combustibile PEMFC è illustrato in figura 1. La cella singola PEMFC è costituita da un EMA (anodo, catodo e membrana a scambio protonico) e da piastre bipolari. L'anodo è il luogo in cui avviene l'OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione dell'idrogeno combustibile, mentre il catodo è il luogo in cui avviene il redox. Entrambi i poli contengono catalizzatori per accelerare la reazione elettrochimica degli elettrodi; come elettrocatalizzatori vengono generalmente utilizzati platino/carbone o platino/rutenio. La membrana a scambio protonico funge da elettrolita; l'idrogeno o il gas riformato purificato è il combustibile; l'aria o l'ossigeno puro è l'ossidante; la grafite o la piastra metallica modificata in superficie con il canale di flusso del gas è la piastra bipolare. L'idrogeno e l'ossigeno, con una certa umidità e pressione, entrano rispettivamente nell'anodo e nel catodo e raggiungono l'interfaccia tra lo strato di catalizzatore e la membrana a scambio protonico attraverso lo strato di diffusione del gas (carta di carbonio nella figura), dove hanno luogo le reazioni di OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione e riduzione sotto l'azione del catalizzatore.
Anodo:H2 → 2H+ + 2e-
Catodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- →H2O
Reazione totale della batteria: H2 + ½ O2 → H2O
All'anodo, l'idrogeno gassoso reagisce elettrochimicamente per formare ioni idrogeno ed elettroni. Gli ioni di idrogeno vengono quindi condotti al catodo attraverso una membrana a scambio protonico (le proprietà uniche della membrana a scambio protonico consentono il passaggio dei soli ioni di idrogeno) e gli elettroni raggiungono il catodo attraverso un circuito esterno, dove gli ioni di idrogeno, gli elettroni e l'ossigeno reagiscono per formare acqua. L'acqua generata viene scaricata dall'uscita del catodo come vapore acqueo o condensa insieme all'ossigeno in eccesso.
Strato di diffusione del gas (GDL)
Lo strato di diffusione del gas (GDL) si trova a entrambe le estremità dell'elettrodo a membrana, che è uno dei componenti importanti della cella a combustibile; il suo ruolo comprende il supporto della membrana a scambio protonico, il rivestimento del catalizzatore, il collegamento dell'elettrodo a membrana con la piastra bipolare, ecc.
Il materiale GDL deve avere le seguenti caratteristiche in termini di prestazioni:
- Poiché il GDL si trova tra la piastra bipolare e lo strato catalitico, la reazione elettrochimica (cioè la densità di corrente) è molto elevata - c'è un alto grado di corrosione galvanica - quindi il materiale GDL deve avere una resistenza alla corrosione.
- Il materiale GDL - poiché la diffusione di idrogeno/ossigeno o metanolo/aria allo strato catalizzatore medium - deve essere un materiale poroso e traspirante.
- Il materiale GDL svolge il ruolo di conduttore di corrente e deve essere un materiale altamente conduttivo.
- La reazione della batteria è esotermica; il materiale GDL deve essere ad alta conducibilità termica; la dissipazione del calore deve essere tempestiva per evitare il surriscaldamento locale causato dalla rottura della membrana a scambio protonico.
- Il materiale GDL deve avere un'elevata idrofobicità per evitare danni allo strato catalitico causati dall'acqua generata dalla reazione della batteria
Carta in fibra di carbonio
La carta in fibra di carbonio (denominata carta di carbonio) è prodotta a partire da fibre di carbonio tagliate corte come materia prima; ha una struttura porosa in fibra microscopica, che può stabilire canali efficaci per la conduzione di gas e acqua. Allo stesso tempo, la carta di carbonio presenta i vantaggi della leggerezza, della superficie piatta, della resistenza alla corrosione e della porosità uniforme. Inoltre, l'elevata resistenza della carta di carbonio può proteggere l'installazione e l'uso delle batterie PEMFC, stabilizzare la struttura dell'elettrodo e migliorare la durata della batteria. Il processo di produzione della carta di carbonio è maturo, con prestazioni stabili; pertanto, la carta di carbonio è diventata la scelta principale per i materiali dello strato di diffusione del gas nell'elettrodo a membrana. La Figura 1 mostra l'elettrodo a membrana con carta di carbonio come strato di diffusione del gas. A causa della disposizione dell'orientamento delle fibre nel processo di preparazione della carta di carbonio, la carta di carbonio stessa presenta diverse anisotropie.
Poiché la conducibilità termica è uno degli indici più importanti dei materiali GDL, in questo lavoro sono state eseguite prove di conducibilità termica su un campione di carta di carbonio per mezzo di NETZSCH LFA HyperFlash®®. In questo test, l'LFA 467 è stato utilizzato per verificare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica del campione di carta di carbonio in direzione orizzontale e verticale, rispettivamente, e il DSC è stato utilizzato per verificare la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica del campione di carta di carbonio. La conducibilità termica del campione è stata ottenuta moltiplicando la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica e la densità (a temperatura ambiente) del campione.
Applicazioni
La tabella 1 mostra i risultati del test di conducibilità termica in direzione orizzontale per questo campione di carta di carbonio (figura 2). Il supporto utilizzato per questa prova è un portacampioni in piano (figura 3), che può essere utilizzato per testare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica di materiali a film sottile ad alta conducibilità termica in direzione orizzontale. Si può notare che la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica in direzione orizzontale del campione a 25°C e 100°C è rispettivamente di 58,610 mm2/s e 50,122 mm2/s, e la conducibilità termica è rispettivamente di 20,568 W/(m*K) e 21,794 W/(m*K).
La Figura 4 mostra la curva di aumento della temperatura testata e si può notare che le curve di prova (segnale grezzo - blu) e la curva adattata (valutazione del modello - rosso) sono in ottimo accordo.
La Tabella 2 mostra i risultati del test di conducibilità termica di questo campione di carta carbone in direzione verticale.
Il supporto utilizzato per questa prova era un portacampioni in lamina (figura 5) che può essere utilizzato per testare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica dei campioni di film sottile in direzione verticale. Dai risultati si evince che la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica in direzione verticale del campione è pari a 7,463 mm2/s e 6,408 mm2/s rispettivamente a 25°C e 100°C, mentre la conducibilità termica è pari a 2,619 W/(m*K) e 2,786 W/(m*K) rispettivamente. La conducibilità termica dei campioni in direzione orizzontale è significativamente più alta di quella in direzione verticale, con un'evidente anisotropia individuale. Poiché il campione ha una struttura a fibre porose, c'è un certo grado di trasmissione della luce quando si esegue il test in direzione verticale.
Sintesi
Nelle celle a combustibile a membrana a scambio protonico, lo strato di diffusione del gas è un componente importante dell'elettrodo a membrana e il suo costo rappresenta solitamente il 20-25% del costo dell'elettrodo a membrana.
Le analisi del settore prevedono che le dimensioni del mercato globale dei materiali per lo strato di diffusione del gas raggiungeranno i 3,34 miliardi di dollari entro il 2024. La carta di carbonio, come materiale preferito per lo strato di diffusione del gas, ha un futuro molto promettente per lo sviluppo dell'industria in Cina. La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica è uno degli indicatori più importanti per la carta di carbonio. Con l'analizzatore di conducibilità termica flash LFA 467 di NETZSCH e il suo supporto in-plane e il supporto per campioni in lamina, la conducibilità termica dei campioni di carta di carbonio in direzione orizzontale e verticale può essere testata in modo accurato e conveniente.