Протонообменный топливный элемент (PEMFC)
Протонно-обменный мембранный топливный элемент (PEMFC), как новый низкотемпературный топливный элемент, обладает такими преимуществами, как высокая эффективность, низкая рабочая температура и нулевой уровень выбросов, что является одним из основных направлений развития новой зеленой энергетики.
Основным компонентом PEMFC является мембранно-электродная сборка (MEA), которая состоит из двух газодиффузионных слоев (GDL), двух каталитических слоев и протонообменной мембраны.
Принцип работы топливного элемента PEMFC показан на рисунке 1. Одноэлементный топливный элемент PEMFC состоит из ЭМА (анод, катод и протонообменная мембрана) и биполярных пластин. Анод - это место, где происходит окисление водородного топлива, а катод - место, где происходит окислительно-восстановительный процесс. Оба полюса содержат катализаторы для ускорения электрохимической реакции на электродах, в качестве электрокатализаторов обычно используются платина/углерод или платина/рутений. В качестве электролита выступает протонообменная мембрана, в качестве топлива - водород или очищенный реформированный газ, в качестве окислителя - воздух или чистый кислород, а в качестве биполярной пластины - графит или модифицированная металлическая пластина с каналом для потока газа. Водород и кислород с определенной влажностью и давлением поступают на анод и катод, соответственно, и достигают границы раздела между слоем катализатора и протонообменной мембраной через слой диффузии газа (углеродная бумага на рисунке), где под действием катализатора происходят реакции окисления и восстановления.
Анод: H2 → 2H+ + 2e-
Катод: ½ O2 + 2H+ + 2 e- → H2O
Общая реакция батареи: H2 + ½ O2 → H2O
На аноде газообразный водород вступает в электрохимическую реакцию с образованием ионов водорода и электронов. Затем ионы водорода проходят к катоду через протонообменную мембрану (уникальные свойства протонообменной мембраны позволяют пропускать только ионы водорода), а электроны попадают на катод через внешнюю цепь, где ионы водорода, электроны и кислород вступают в реакцию с образованием воды. Образовавшаяся вода выводится из катодного выхода в виде водяного пара или конденсата вместе с избытком кислорода.
Газодиффузионный слой (GDL)
Газодиффузионный слой (GDL) расположен на обоих концах мембранного электрода, который является одним из важных компонентов топливного элемента; его роль заключается в поддержке протонообменной мембраны, покрытии катализатора, соединении мембранного электрода с биполярной пластиной и т.д.
Материал GDL должен обладать следующими характеристиками:
- Поскольку GDL находится между биполярной пластиной и слоем катализатора, электрохимическая реакция (т.е. плотность тока) очень высока - существует высокая степень гальванической коррозии - поэтому материал GDL должен обладать коррозионной стойкостью.
- Материал GDL - поскольку водород/кислород или метанол/воздух диффундируют в реакционный слой катализатора medium - должен быть пористым, воздухопроницаемым материалом.
- Материал GDL играет роль проводника тока и должен быть высокопроводящим материалом.
- Реакция в батарее экзотермическая; материал GDL должен обладать высокой теплопроводностью; отвод тепла должен быть своевременным, чтобы избежать локального перегрева, вызванного разрушением протонообменной мембраны.
- Материал GDL должен обладать высокой гидрофобностью, чтобы избежать повреждения слоя катализатора водой, образующейся в результате реакции батареи
Бумага из углеродного волокна
Бумага из углеродного волокна (так называемая углеродная бумага) производится из коротко обрезанных углеродных волокон в качестве сырья; она имеет микроскопическую пористую структуру, которая может создавать эффективные каналы для проведения газа и воды. В то же время углеродная бумага обладает такими преимуществами, как легкий вес, плоская поверхность, устойчивость к коррозии и равномерная пористость. Кроме того, высокая прочность углеродной бумаги может обеспечить защиту при установке и использовании батарей PEMFC, стабилизировать структуру электродов и увеличить срок службы батарей. Процесс производства углеродной бумаги является зрелым, со стабильными характеристиками; поэтому углеродная бумага стала основным выбором для материалов газового диффузионного слоя в мембранном электроде. Мембранный электрод с углеродной бумагой в качестве газодиффузионного слоя показан на рисунке 1. Из-за особенностей ориентации волокон в процессе подготовки углеродной бумаги, сама углеродная бумага имеет различные анизотропии.
Учитывая, что теплопроводность является одним из важных показателей материалов ГДЛ, в данной работе были проведены испытания теплопроводности образца углеродной бумаги с помощью прибора NETZSCH LFA HyperFlash®®. В этом испытании LFA 467 использовался для определения теплопроводности образца углеродной бумаги в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно, а DSC использовался для определения удельной теплоемкости образца углеродной бумаги. Теплопроводность образца была получена путем перемножения теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности (при комнатной температуре) образца.
Приложения
В таблице 1 приведены результаты испытания на теплопроводность в горизонтальном направлении для данного образца углеродной бумаги (рис. 2). Для данного испытания использовался держатель образца в плоскости (рис. 3), который можно использовать для испытания теплопроводности тонкопленочных материалов с высокой теплопроводностью в горизонтальном направлении. Видно, что теплопроводность в горизонтальном направлении образца при 25°C и 100°C составляет 58,610 мм2/с и 50,122 мм2/с, соответственно, а теплопроводность - 20,568 Вт/(м*К) и 21,794 Вт/(м*К), соответственно.
На рисунке 4 показана кривая повышения температуры, и видно, что тестовые кривые (исходный сигнал - синий) и подогнанная кривая (оценка модели - красный) находятся в очень хорошем согласии.
В таблице 2 приведены результаты теста на теплопроводность для данного образца углеродной бумаги в вертикальном направлении.
В качестве опоры для этого испытания использовался держатель образцов из фольги (рис. 5), который можно использовать для определения теплопроводности тонкопленочных образцов в вертикальном направлении. Из результатов видно, что теплопроводность образца в вертикальном направлении составляет 7,463 мм2/с и 6,408 мм2/с при 25°C и 100°C, соответственно, а теплопроводность - 2,619 Вт/(м*К) и 2,786 Вт/(м*К), соответственно. Теплопроводность образцов в горизонтальном направлении значительно выше, чем в вертикальном, с очевидной индивидуальной анизотропией. Поскольку образец имеет пористую волокнистую структуру, при испытании в вертикальном направлении наблюдается определенная степень пропускания света.
Резюме
В топливных элементах с протонообменной мембраной газодиффузионный слой служит важным компонентом мембранного электрода, и его стоимость обычно составляет 20-25% от стоимости мембранного электрода.
По прогнозам отраслевого анализа, объем мирового рынка материалов для газодиффузионного слоя достигнет 3,34 млрд долларов США к 2024 году. Углеродная бумага, как предпочтительный материал для газодиффузионного слоя, имеет очень многообещающее будущее для развития промышленности в Китае. Теплопроводность является одним из важных показателей для углеродной бумаги. С помощью анализатора теплопроводности LFA 467 NETZSCH Flash и его держателя в плоскости и держателя образцов фольги можно точно и удобно проверить теплопроводность образцов углеродной бумаги в горизонтальном и вертикальном направлениях.