Proton Değişimli Yakıt Pili (PEMFC)
Gelişmekte olan düşük sıcaklıklı bir yakıt hücresi olan Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi (PEMFC), yeni yeşil enerjinin ana gelişim yönlerinden biri olan yüksek verimlilik, düşük çalışma sıcaklığı ve sıfır emisyon avantajlarına sahiptir.
PEMFC'nin temel bileşeni, iki Gaz Difüzyon Katmanı (GDL), iki katalitik katman ve bir proton değişim membranından oluşan Membran Elektrot Düzeneğidir (MEA).
Bir PEMFC yakıt hücresinin reaksiyon prensibi Şekil 1'de gösterilmektedir. PEMFC tekli hücresi bir EMA (anot, katot ve proton değişim membranı) ve bipolar plakalardan oluşur. Anot, hidrojen yakıtının oksidasyonunun gerçekleştiği yerdir ve katot redoksun gerçekleştiği yerdir. Her iki kutup da elektrotların elektrokimyasal reaksiyonunu hızlandırmak için katalizörler içerir ve elektrokatalizör olarak genellikle platin/karbon veya platin/rutenyum kullanılır. Proton değişim membranı elektrolit görevi görür; hidrojen veya saflaştırılmış reform gazı yakıttır; hava veya saf oksijen oksidandır; ve gaz akış kanalına sahip grafit veya yüzeyi modifiye edilmiş metal plaka bipolar plakadır. Belirli bir nem ve basınca sahip hidrojen ve oksijen sırasıyla anot ve katoda girer ve gaz difüzyon tabakası (şekilde karbon kağıdı) aracılığıyla katalizör tabakası ile proton değişim membranı arasındaki arayüze ulaşır ve burada katalizörün etkisi altında OksidasyonOksidasyon, termal analiz bağlamında farklı süreçleri tanımlayabilir.oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonları gerçekleşir.
Anot:H2 → 2H+ + 2e-
Katot: ½O2 + 2H+ + 2 e- →H2O
Toplam pil reaksiyonu: H2 + ½ O2 → H2O
Anotta hidrojen gazı elektrokimyasal olarak reaksiyona girerek hidrojen iyonları ve elektronlar oluşturur. Hidrojen iyonları daha sonra bir proton değişim membranı aracılığıyla katoda iletilir (proton değişim membranının benzersiz özellikleri sadece hidrojen iyonlarının geçmesine izin verir) ve elektronlar, hidrojen iyonlarının, elektronların ve oksijenin su oluşturmak üzere reaksiyona girdiği harici bir devre aracılığıyla katoda ulaşır. Oluşan su, fazla oksijenle birlikte su buharı veya kondensat olarak katot çıkışından tahliye edilir.
Gaz Difüzyon Katmanı (GDL)
Gaz Difüzyon Katmanı (GDL), yakıt hücresinin önemli bileşenlerinden biri olan membran elektrodunun her iki ucunda yer alır; rolü proton değişim membranını desteklemeyi, katalizörü kaplamayı, membran elektrodunu bipolar plaka ile bağlamayı vb. içerir.
GDL malzemesinin performans açısından aşağıdaki noktalara sahip olması gerekir:
- GDL, bipolar plaka ile katalizör tabakası arasında olduğundan, elektrokimyasal reaksiyon (yani akım yoğunluğu) çok yüksektir - yüksek derecede galvanik korozyon vardır - bu nedenle GDL malzemesi korozyon direncine sahip olmalıdır.
- GDL malzemesi - hidrojen/oksijen veya metanol/hava difüzyonu katalizör katman reaksiyonuna medium - gözenekli, nefes alabilen bir malzeme olmalıdır.
- GDL malzemesi bir akım iletkeni rolü oynar ve yüksek iletkenlikte bir malzeme olmalıdır.
- Batarya reaksiyonu ekzotermiktir; GDL malzemesi yüksek termal iletkenliğe sahip bir malzeme olmalıdır; proton değişim membranı kırılmasının neden olduğu yerel aşırı ısınmayı önlemek için ısı dağılımı zamanında olmalıdır.
- GDL malzemesi, pil reaksiyonu tarafından üretilen suyun katalizör tabakasına zarar vermesini önlemek için yüksek hidrofobikliğe sahip olmalıdır
Karbon Fiber Kağıt
Karbon fiber kağıt (karbon kağıt olarak adlandırılır) hammadde olarak kısa kesilmiş karbon fiberlerden üretilir; bu, mikroskobik olarak fiber gözenekli bir yapıya sahiptir, bu da gaz ve su iletimi için etkili kanallar oluşturabilir. Aynı zamanda karbon kağıdı hafiflik, düz bir yüzey, korozyon direnci ve düzgün gözeneklilik avantajlarına sahiptir. Buna ek olarak, karbon kağıdının yüksek mukavemeti, PEMFC pillerinin kurulumu ve kullanımı için koruma sağlayabilir, elektrot yapısını stabilize edebilir ve pil ömrünü uzatabilir. Karbon kağıdı üretim süreci olgunlaşmış ve istikrarlı bir performansa sahiptir; bu nedenle karbon kağıdı, membran elektrottaki gaz difüzyon katmanı malzemeleri için ana tercih haline gelmiştir. Gaz difüzyon katmanı olarak karbon kağıdına sahip membran elektrot Şekil 1'de gösterilmektedir. Karbon kağıdı hazırlama sürecindeki lif yönlendirme düzenlemesi nedeniyle, karbon kağıdının kendisi çeşitli anizotropilere sahiptir.
Termal iletkenliğin GDL malzemelerinin önemli indekslerinden biri olduğu göz önüne alındığında, bu çalışmada, NETZSCH LFA HyperFlash®® aracılığıyla bir karbon kağıdı numunesi üzerinde Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testte, karbon kağıdı örneğinin sırasıyla yatay ve dikey yönlerdeki termal difüzivitesini test etmek için LFA 467 ve karbon kağıdı örneğinin özgül ısı kapasitesini test etmek için DSC kullanılmıştır. Numunenin termal iletkenliği, Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite, özgül ısı kapasitesi ve numunenin yoğunluğunun (oda sıcaklığında) çarpılmasıyla elde edilmiştir.
Uygulamalar
Tablo 1, bu karbon kağıdı örneği için yatay yönde Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik testinin sonuçlarını göstermektedir (şekil 2). Bu test için kullanılan destek, yüksek termal iletkenliğe sahip ince film malzemelerin yatay yöndeki termal difüzivitesini test etmek için kullanılabilen bir düzlem içi numune tutucudur (şekil 3). Numunenin 25°C ve 100°C'de yatay yöndeki termal difüzivitesinin sırasıyla 58,610 mm2/s ve 50,122 mm2/s olduğu ve termal iletkenliğin sırasıyla 20,568 W/(m*K) ve 21,794 W/(m*K) olduğu görülebilir.
Şekil 4, test edilen sıcaklık artış eğrisini göstermektedir ve test eğrileri (ham sinyal - mavi) ile takılan eğrinin (model değerlendirmesi - kırmızı) çok iyi bir uyum içinde olduğu görülebilir.
Tablo 2, bu karbon kağıdı örneği için dikey yönde yapılan Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik testinin sonuçlarını göstermektedir.
Bu test için kullanılan destek, ince film numunelerinin dikey yöndeki termal difüzivitesini test etmek için kullanılabilen bir folyo numune tutucuydu (Şekil 5). Sonuçlardan, numunenin dikey yöndeki termal difüzivitesinin 25°C ve 100°C'de sırasıyla 7,463 mm2/s ve 6,408 mm2/s olduğu ve termal iletkenliğin sırasıyla 2,619 W/(m*K) ve 2,786 W/(m*K) olduğu görülebilir. Numunelerin yatay yöndeki termal iletkenliği, belirgin bireysel anizotropi ile dikey yöndekinden önemli ölçüde daha yüksektir. Numune gözenekli bir fiber yapıya sahip olduğundan, dikey yönde test edilirken belirli bir derecede ışık iletimi vardır.
Özet
Proton değişim membranlı yakıt hücrelerinde, gaz difüzyon katmanı membran elektrodunun önemli bir bileşeni olarak hizmet eder ve maliyeti genellikle membran elektrodunun maliyetinin %20-25'ini oluşturur.
Sektör analizleri, küresel gaz difüzyon katmanı malzemeleri pazar büyüklüğünün 2024 yılına kadar 3,34 milyar ABD dolarına ulaşacağını öngörmektedir. Gaz difüzyon katmanı için tercih edilen malzeme olan karbon kağıdı, Çin'deki endüstri gelişimi için çok umut verici bir geleceğe sahiptir. Termal iletkenlik, karbon kağıtları için önemli göstergelerden biridir. NETZSCH Flash Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.Termal İletkenlik Analizörü LFA 467 ve düzlem içi tutucusu ve folyo numune tutucusu ile karbon kağıdı numunelerinin yatay ve dikey yönlerdeki termal iletkenliği doğru ve rahat bir şekilde test edilebilir.