Pila de combustie cu schimb de protoni (PEMFC)
Pila de combustie cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC), ca celulă de combustie emergentă cu temperatură scăzută, are avantajele unei eficiențe ridicate, ale unei temperaturi de funcționare scăzute și ale unei emisii zero, fiind una dintre principalele direcții de dezvoltare a noii energii verzi.
Componenta principală a PEMFC este ansamblul membrană-electrod (MEA), care constă din două straturi de difuzie a gazelor (GDL), două straturi catalitice și o membrană de schimb protonic.
Principiul de reacție al unei celule de combustibil PEMFC este prezentat în figura 1. Celula unică PEMFC constă dintr-o EMA (anod, catod și membrană de schimb protonic) și plăci bipolare. Anodul este locul în care are loc oxidarea hidrogenului combustibil, iar catodul este locul în care are loc redoxul. Ambii poli conțin catalizatori pentru a accelera reacția electrochimică a electrozilor, iar platina/carbonul sau platina/ruteniul sunt în general utilizate ca electrocatalizatori. Membrana de schimb de protoni acționează ca electrolit; hidrogenul sau gazul reformat purificat este combustibilul; aerul sau oxigenul pur este oxidantul; iar grafitul sau placa metalică cu suprafață modificată cu canalul de curgere a gazului este placa bipolară. Hidrogenul și oxigenul cu o anumită umiditate și presiune intră în anod și, respectiv, în catod și ajung la interfața dintre stratul catalizator și membrana de schimb protonic prin stratul de difuzie a gazului (hârtie de carbon în figură), unde au loc reacții de OxidareOxidarea poate descrie diferite procese în contextul analizei termice.oxidare și reducere sub acțiunea catalizatorului.
Anod:H2 → 2H+ + 2e-
Catod: ½O2 + 2H+ + 2e- →H2O
Reacția totală a bateriei: H2 + ½ O2 → H2O
La anod, hidrogenul gazos reacționează electrochimic pentru a forma ioni de hidrogen și electroni. Ionii de hidrogen sunt apoi conduși la catod printr-o membrană de schimb de protoni (proprietățile unice ale membranei de schimb de protoni permit numai trecerea ionilor de hidrogen), iar electronii ajung la catod printr-un circuit extern, unde ionii de hidrogen, electronii și oxigenul reacționează pentru a forma apă. Apa generată este evacuată de la ieșirea catodului sub formă de vapori de apă sau condensat, împreună cu oxigenul în exces.
Stratul de difuzie a gazelor (GDL)
Stratul de difuzie a gazelor (GDL) este situat la ambele capete ale electrodului cu membrană, care este una dintre componentele importante ale pilei de combustie; rolul său include susținerea membranei de schimb protonic, acoperirea catalizatorului, conectarea electrodului cu membrană cu placa bipolară etc.
Materialul GDL trebuie să aibă următoarele caracteristici în ceea ce privește performanța:
- Deoarece GDL se află între placa bipolară și stratul de catalizator, reacția electrochimică (adică densitatea curentului) este foarte mare - există un grad ridicat de coroziune galvanică - deci materialul GDL trebuie să aibă rezistență la coroziune.
- Materialul GDL - pe măsură ce hidrogenul/oxigenul sau metanolul/aerul difuzează către reacția stratului catalitic medium - trebuie să fie un material poros, respirabil.
- Materialul GDL joacă rolul de conductor de curent și trebuie să fie un material foarte conductiv.
- Reacția bateriei este ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermică; materialul GDL trebuie să fie un material cu conductivitate termică ridicată; disiparea căldurii trebuie să se facă în timp util pentru a evita supraîncălzirea locală cauzată de ruperea membranei de schimb protonic.
- Materialul GDL trebuie să aibă o hidrofobicitate ridicată pentru a evita deteriorarea stratului catalizator cauzată de apa generată de reacția bateriei
Hârtie din fibră de carbon
Hârtia din fibre de carbon (denumită și hârtie de carbon) este fabricată din fibre de carbon tăiate scurt ca materie primă; aceasta are o structură poroasă a fibrelor microscopice, care poate stabili canale eficiente pentru conducerea gazelor și a apei. În același timp, hârtia de carbon are avantajele greutății reduse, unei suprafețe plate, rezistenței la coroziune și porozității uniforme. În plus, rezistența ridicată a hârtiei de carbon poate aduce protecție pentru instalarea și utilizarea bateriilor PEMFC, stabilizează structura electrodului și îmbunătățește durata de viață a bateriei. Procesul de fabricare a hârtiei de carbon este matur, cu performanțe stabile; prin urmare, hârtia de carbon a devenit alegerea principală pentru materialele stratului de difuzie a gazelor în electrodul cu membrană. Electrodul cu membrană cu hârtie de carbon ca strat de difuzie a gazelor este prezentat în figura 1. Datorită orientării fibrelor în procesul de preparare a hârtiei de carbon, hârtia de carbon are diverse anisotropiile.
Având în vedere că conductivitatea termică este unul dintre indicii importanți ai materialelor GDL, în această lucrare au fost efectuate teste de conductivitate termică pe o probă de hârtie de carbon cu ajutorul NETZSCH LFA HyperFlash®®. În acest test, LFA 467 a fost utilizat pentru a testa difuzivitatea termică a probei de hârtie carbon în direcțiile orizontală și, respectiv, verticală, iar DSC a fost utilizat pentru a testa capacitatea termică specifică a probei de hârtie carbon. Conductivitatea termică a probei a fost obținută prin înmulțirea difuzivității termice, a capacității termice specifice și a densității (la temperatura camerei) a probei.
Aplicații
Tabelul 1 prezintă rezultatele testului de conductivitate termică în direcție orizontală pentru această probă de hârtie carbon (figura 2). Suportul utilizat pentru acest test este un suport de probă în plan (figura 3), care poate fi utilizat pentru a testa difuzivitatea termică a materialelor subțiri cu conductivitate termică ridicată în direcția orizontală. Se poate observa că difuzivitatea termică în direcția orizontală a probei la 25°C și 100°C este de 58,610 mm2/s și, respectiv, 50,122 mm2/s, iar conductivitatea termică este de 20,568 W/(m*K) și, respectiv, 21,794 W/(m*K).
Figura 4 prezintă curba de creștere a temperaturii testate și se poate observa că curbele de testare (semnal brut - albastru) și curba ajustată (evaluarea modelului - roșu) sunt în concordanță foarte bună.
Tabelul 2 prezintă rezultatele testului de conductivitate termică pentru această probă de hârtie carbon în direcție verticală.
Suportul utilizat pentru acest test a fost un suport de probă din folie (figura 5) care poate fi utilizat pentru a testa difuzivitatea termică a probelor de film subțire în direcție verticală. Din rezultate, se poate observa că difuzivitatea termică în direcția verticală a probei este de 7,463 mm2/s și 6,408 mm2/s la 25°C și, respectiv, 100°C, iar conductivitatea termică este de 2,619 W/(m*K) și, respectiv, 2,786 W/(m*K). Conductivitatea termică a probelor în direcția orizontală este semnificativ mai mare decât cea în direcția verticală, cu o anizotropie individuală evidentă. Deoarece eșantionul are o structură poroasă a fibrelor, există un anumit grad de transmisie a luminii la testarea în direcția verticală.
Rezumat
În pilele de combustie cu membrană de schimb protonic, stratul de difuzie a gazelor este o componentă importantă a electrodului cu membrană, iar costul său reprezintă de obicei 20-25% din costul electrodului cu membrană.
Analiza industriei a prezis că dimensiunea pieței globale a materialelor pentru straturile de difuzie a gazelor va ajunge la 3,34 miliarde USD până în 2024. Hârtia carbon, ca material preferat pentru stratul de difuzie a gazelor, are un viitor foarte promițător pentru dezvoltarea industriei în China. Conductivitatea termică este unul dintre indicatorii importanți pentru hârtia de carbon. Cu ajutorul analizorului de conductivitate termică flash NETZSCH LFA 467 și al suportului său în plan și al suportului pentru probe de folie, conductivitatea termică a probelor de hârtie carbon în direcțiile orizontală și verticală poate fi testată cu acuratețe și în mod convenabil.