Ogniwo paliwowe z wymianą protonów (PEMFC)
Membranowe ogniwo paliwowe z wymianą protonów (PEMFC), jako nowe niskotemperaturowe ogniwo paliwowe, ma zalety wysokiej wydajności, niskiej temperatury pracy i zerowej emisji, co jest jednym z głównych kierunków rozwoju nowej zielonej energii.
Podstawowym elementem PEMFC jest zespół elektrod membranowych (MEA), który składa się z dwóch warstw dyfuzji gazu (GDL), dwóch warstw katalitycznych i membrany wymiany protonów.
Zasadę reakcji ogniwa paliwowego PEMFC przedstawiono na rysunku 1. Pojedyncze ogniwo PEMFC składa się z EMA (anody, katody i membrany protonowymiennej) oraz płytek bipolarnych. Anoda jest miejscem, w którym zachodzi UtlenianieUtlenianie może opisywać różne procesy w kontekście analizy termicznej.utlenianie paliwa wodorowego, a katoda jest miejscem, w którym zachodzi redoks. Oba bieguny zawierają katalizatory przyspieszające reakcję elektrochemiczną elektrod, a platyna/węgiel lub platyna/ruten są zwykle stosowane jako elektrokatalizatory. Membrana wymiany protonów działa jako elektrolit; wodór lub oczyszczony zreformowany gaz jest paliwem; powietrze lub czysty tlen jest utleniaczem; a grafit lub zmodyfikowana powierzchniowo metalowa płyta z kanałem przepływu gazu jest płytą dwubiegunową. Wodór i tlen o określonej wilgotności i ciśnieniu wchodzą odpowiednio do anody i katody i docierają do interfejsu między warstwą katalizatora a membraną wymiany protonów przez warstwę dyfuzji gazu (kalka na rysunku), gdzie zachodzą reakcje utleniania i redukcji pod działaniem katalizatora.
Anoda:H2 → 2H+ + 2e-
Katoda: ½ O2 + 2H+ + 2e- →H2O
Całkowita reakcja akumulatora: H2 + ½ O2 → H2O
Na anodzie wodór reaguje elektrochemicznie, tworząc jony wodoru i elektrony. Jony wodoru są następnie odprowadzane do katody przez membranę wymiany protonów (unikalne właściwości membrany wymiany protonów pozwalają na Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście tylko jonów wodoru), a elektrony docierają do katody przez obwód zewnętrzny, gdzie jony wodoru, elektrony i tlen reagują, tworząc wodę. Wytworzona woda jest odprowadzana z wylotu katody w postaci pary wodnej lub kondensatu wraz z nadmiarem tlenu.
Warstwa dyfuzyjna gazu (GDL)
Warstwa dyfuzyjna gazu (GDL) znajduje się na obu końcach elektrody membranowej, która jest jednym z ważnych elementów ogniwa paliwowego; jej rola obejmuje wspieranie membrany wymiany protonów, powlekanie katalizatora, łączenie elektrody membranowej z płytką bipolarną itp.
Materiał GDL musi mieć następujące cechy pod względem wydajności:
- Ponieważ GDL znajduje się pomiędzy płytką bipolarną a warstwą katalizatora, reakcja elektrochemiczna (tj. gęstość prądu) jest bardzo wysoka - występuje wysoki stopień korozji galwanicznej - dlatego materiał GDL musi charakteryzować się odpornością na korozję.
- Materiał GDL - ze względu na dyfuzję wodoru/tlenu lub metanolu/powietrza do warstwy katalizatora medium - musi być porowatym, oddychającym materiałem.
- Materiał GDL odgrywa rolę przewodnika prądu i musi być materiałem o wysokiej przewodności.
- Reakcja baterii jest egzotermiczna; materiał GDL musi być materiałem o wysokiej przewodności cieplnej; rozpraszanie ciepła musi odbywać się w odpowiednim czasie, aby uniknąć lokalnego przegrzania spowodowanego pęknięciem membrany wymiany protonów.
- Materiał GDL powinien charakteryzować się wysoką hydrofobowością, aby uniknąć uszkodzenia warstwy katalizatora przez wodę generowaną przez reakcję akumulatora
Papier z włókna węglowego
Papier z włókna węglowego (określany jako papier węglowy) jest wytwarzany ze skróconych włókien węglowych jako surowca; ma mikroskopijną porowatą strukturę włókien, która może tworzyć skuteczne kanały przewodzenia gazu i wody. Jednocześnie kalka ma zalety lekkości, płaskiej powierzchni, odporności na korozję i jednolitej porowatości. Ponadto wysoka wytrzymałość kalki może zapewnić ochronę instalacji i użytkowania akumulatorów PEMFC, ustabilizować strukturę elektrody i poprawić żywotność akumulatora. Proces produkcji papieru węglowego jest dojrzały i charakteryzuje się stabilną wydajnością; dlatego też papier węglowy stał się głównym wyborem dla materiałów warstwy dyfuzyjnej gazu w elektrodzie membranowej. Elektrodę membranową z kalką jako warstwą dyfuzyjną przedstawiono na rysunku 1. Ze względu na orientację włókien w procesie przygotowania kalki, sama kalka ma różne anizotropie.
Biorąc pod uwagę, że Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna jest jednym z ważnych wskaźników materiałów GDL, w niniejszej pracy przeprowadzono testy przewodności cieplnej próbki kalki za pomocą urządzenia NETZSCH LFA HyperFlash®®. W tym teście LFA 467 został użyty do zbadania dyfuzyjności cieplnej próbki papieru węglowego odpowiednio w kierunku poziomym i pionowym, a DSC został użyty do zbadania pojemności cieplnej właściwej próbki papieru węglowego. Przewodność cieplną próbki uzyskano poprzez pomnożenie dyfuzyjności cieplnej, pojemności cieplnej właściwej i gęstości (w temperaturze pokojowej) próbki.
Zastosowania
Tabela 1 przedstawia wyniki testu przewodności cieplnej w kierunku poziomym dla próbki kalki (rysunek 2). Podpora użyta do tego testu to uchwyt próbki w płaszczyźnie (rysunek 3), który może być używany do testowania dyfuzyjności cieplnej materiałów cienkowarstwowych o wysokiej przewodności cieplnej w kierunku poziomym. Można zauważyć, że dyfuzyjność cieplna w kierunku poziomym próbki w temperaturze 25°C i 100°C wynosi odpowiednio 58,610 mm2/s i 50,122 mm2/s, a Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna wynosi odpowiednio 20,568 W/(m*K) i 21,794 W/(m*K).
Rysunek 4 przedstawia testowaną krzywą wzrostu temperatury i można zauważyć, że krzywe testowe (surowy sygnał - niebieski) i dopasowana krzywa (ocena modelu - czerwony) są w bardzo dobrej zgodności.
Tabela 2 przedstawia wyniki testu przewodności cieplnej dla próbki kalki w kierunku pionowym.
Podporą użytą do tego testu był foliowy uchwyt próbki (rysunek 5), który może być użyty do badania dyfuzyjności cieplnej próbek cienkowarstwowych w kierunku pionowym. Na podstawie wyników można zauważyć, że dyfuzyjność cieplna próbki w kierunku pionowym wynosi 7,463 mm2/s i 6,408 mm2/s odpowiednio w temperaturze 25°C i 100°C, a Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna wynosi odpowiednio 2,619 W/(m*K) i 2,786 W/(m*K). Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna próbek w kierunku poziomym jest znacznie wyższa niż w kierunku pionowym, z oczywistą indywidualną anizotropią. Ponieważ próbka ma porowatą strukturę włókien, istnieje pewien stopień transmisji światła podczas testowania w kierunku pionowym.
Podsumowanie
W ogniwach paliwowych z membraną protonowymienną, warstwa dyfuzyjna gazu służy jako ważny element elektrody membranowej, a jej koszt stanowi zwykle 20-25% kosztu elektrody membranowej.
Analiza branżowa przewiduje, że wielkość rynku globalnych materiałów na warstwy dyfuzyjne gazu osiągnie 3,34 mld USD do 2024 roku. Papier węglowy, jako preferowany materiał na warstwę dyfuzyjną gazu, ma bardzo obiecującą przyszłość dla rozwoju przemysłu w Chinach. Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna jest jednym z ważnych wskaźników dla papierów węglowych. Dzięki analizatorowi przewodności cieplnej NETZSCH Flash LFA 467 oraz jego uchwytowi w płaszczyźnie i uchwytowi na próbki folii, Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna próbek kalki w kierunku poziomym i pionowym może być badana dokładnie i wygodnie.