Célula de combustível de troca de prótons (PEMFC)
A célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC), como uma célula de combustível emergente de baixa temperatura, tem as vantagens de alta eficiência, baixa temperatura de operação e emissão zero, que é uma das principais direções de desenvolvimento da nova energia verde.
O componente principal da PEMFC é o conjunto de eletrodos de membrana (MEA), que consiste em duas camadas de difusão de gás (GDL), duas camadas catalíticas e uma membrana de troca de prótons.
O princípio de reação de uma célula de combustível PEMFC é mostrado na figura 1. A célula única PEMFC consiste em uma EMA (ânodo, cátodo e membrana de troca de prótons) e placas bipolares. O ânodo é o local onde ocorre a OxidaçãoA oxidação pode descrever diferentes processos no contexto da análise térmica.oxidação do combustível hidrogênio, e o cátodo é o local onde ocorre a redox. Ambos os polos contêm catalisadores para acelerar a reação eletroquímica dos eletrodos, e platina/carbono ou platina/rutênio são geralmente usados como eletrocatalisadores. A membrana de troca de prótons atua como eletrólito; o hidrogênio ou o gás reformado purificado é o combustível; o ar ou o oxigênio puro é o oxidante; e o grafite ou a placa de metal modificada na superfície com o canal de fluxo de gás é a placa bipolar. O hidrogênio e o oxigênio com certa umidade e pressão entram no ânodo e no cátodo, respectivamente, e alcançam a interface entre a camada de catalisador e a membrana de troca de prótons por meio da camada de difusão de gás (papel carbono na figura), onde ocorrem as reações de OxidaçãoA oxidação pode descrever diferentes processos no contexto da análise térmica.oxidação e redução sob a ação do catalisador.
Ânodo: H2 → 2H+ + 2e-
Cátodo: ½O2 + 2H+ + 2e- → H2O
Reação total da bateria: H2 + ½ O2 → H2O
No ânodo, o gás hidrogênio reage eletroquimicamente para formar íons de hidrogênio e elétrons. Os íons de hidrogênio são então conduzidos para o cátodo por meio de uma membrana de troca de prótons (as propriedades exclusivas da membrana de troca de prótons permitem que apenas os íons de hidrogênio passem) e os elétrons chegam ao cátodo por meio de um circuito externo, onde os íons de hidrogênio, os elétrons e o oxigênio reagem para formar água. A água gerada é descarregada da saída do cátodo como vapor de água ou condensado, juntamente com o excesso de oxigênio.
Camada de difusão de gás (GDL)
A Camada de Difusão de Gás (GDL) está localizada em ambas as extremidades do eletrodo de membrana, que é um dos componentes importantes da célula de combustível; sua função inclui o suporte da membrana de troca de prótons, o revestimento do catalisador, a conexão do eletrodo de membrana com a placa bipolar, etc.
O material da GDL precisa ter os seguintes pontos em termos de desempenho:
- Como a GDL está entre a placa bipolar e a camada de catalisador, a reação eletroquímica (ou seja, a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade de corrente) é muito alta - há um alto grau de corrosão galvânica -, portanto, o material da GDL deve ser resistente à corrosão.
- O material GDL - como a difusão de hidrogênio/oxigênio ou metanol/ar para a reação da camada de catalisador medium - deve ser um material poroso e respirável.
- O material GDL desempenha a função de condutor de corrente e deve ser um material altamente condutor.
- A reação da bateria é exotérmica; o material GDL deve ser um material de alta Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica; a dissipação de calor deve ser oportuna para evitar o superaquecimento local causado pela quebra da membrana de troca de prótons.
- O material GDL deve ter alta hidrofobicidade para evitar danos à camada de catalisador causados pela água gerada pela reação da bateria
Papel de fibra de carbono
O papel de fibra de carbono (conhecido como papel carbono) é fabricado a partir de fibras de carbono de corte curto como matéria-prima; ele tem uma estrutura porosa de fibra em nível microscópico, que pode estabelecer canais eficazes para a condução de gás e água. Ao mesmo tempo, o papel carbono tem as vantagens da leveza, da superfície plana, da resistência à corrosão e da porosidade uniforme. Além disso, a alta resistência do papel carbono pode proteger a instalação e o uso de baterias PEMFC, estabilizar a estrutura do eletrodo e melhorar a vida útil da bateria. O processo de fabricação de papel carbono é maduro, com desempenho estável; portanto, o papel carbono se tornou a principal escolha para materiais de camada de difusão de gás no eletrodo de membrana. O eletrodo de membrana com papel carbono como camada de difusão de gás é mostrado na Figura 1. Devido à disposição da orientação das fibras no processo de preparação do papel carbono, o próprio papel carbono tem várias anisotropias.
Como a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica é um dos índices importantes dos materiais GDL, neste trabalho, foram realizados testes de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica em uma amostra de papel carbono por meio do NETZSCH LFA HyperFlash®®. Nesse teste, o LFA 467 foi usado para testar a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica da amostra de papel carbono nas direções horizontal e vertical, respectivamente, e o DSC foi usado para testar a capacidade de calor específica da amostra de papel carbono. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica da amostra foi obtida multiplicando-se a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica, a Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.capacidade de calor específico e a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade (à temperatura ambiente) da amostra.
Aplicativos
A Tabela 1 mostra os resultados do teste de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica na direção horizontal para essa amostra de papel carbono (figura 2). O suporte usado para esse teste é um suporte de amostra no plano (figura 3), que pode ser usado para testar a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica de materiais de filme fino de alta Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica na direção horizontal. Pode-se observar que a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica na direção horizontal da amostra a 25°C e 100°C é de 58,610 mm2/s e 50,122 mm2/s, respectivamente, e a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica é de 20,568 W/(m*K) e 21,794 W/(m*K), respectivamente.
A Figura 4 mostra a curva de aumento de temperatura testada, e pode-se observar que as curvas de teste (sinal bruto - azul) e a curva ajustada (avaliação do modelo - vermelho) estão em ótima concordância.
A Tabela 2 mostra os resultados do teste de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica para essa amostra de papel carbono na direção vertical.
O suporte usado para esse teste foi um suporte de amostra de papel alumínio (figura 5), que pode ser usado para testar a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica de amostras de filme fino na direção vertical. Com base nos resultados, pode-se observar que a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica na direção vertical da amostra é de 7,463 mm2/s e 6,408 mm2/s a 25°C e 100°C, respectivamente, e a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica é de 2,619 W/(m*K) e 2,786 W/(m*K), respectivamente. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica das amostras na direção horizontal é significativamente maior do que na direção vertical, com anisotropia individual óbvia. Como a amostra tem uma estrutura de fibra porosa, há um certo grau de transmissão de luz durante o teste na direção vertical.
Resumo
Nas células de combustível de membrana de troca de prótons, a camada de difusão de gás serve como um componente importante do eletrodo de membrana, e seu custo geralmente representa de 20% a 25% do custo do eletrodo de membrana.
A análise do setor previu que o tamanho do mercado global de materiais de camada de difusão de gás atingirá US$ 3,34 bilhões até 2024. O papel carbono, como o material preferido para a camada de difusão de gás, tem um futuro muito promissor para o desenvolvimento do setor na China. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica é um dos indicadores importantes dos papéis de carbono. Com o Analisador de Condutividade Térmica Flash LFA 467 da NETZSCH e seu suporte no plano e suporte de amostra de folha, a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica das amostras de papel carbono nas direções horizontal e vertical pode ser testada de forma precisa e conveniente.