Większa trwałość dzięki wysokiej gęstości mocy zmniejsza całkowity koszt posiadania

Rozwój wodorowych ogniw paliwowych był znaczącym krokiem w kierunku czystszej, bezemisyjnej przyszłości energetycznej. Aby ogniwa paliwowe pozostały opłacalnym rozwiązaniem energetycznym, ich wysoka gęstość mocy musi wiązać się z długoterminową trwałością, co pozwoli zmniejszyć całkowite koszty posiadania.

Od ponad 15 lat Donaldson współpracuje z globalnymi, wiodącymi w branży firmami w zakresie komercjalizacji zaawansowanych technologicznie membran wymiany protonów wzmocnionych ekspandowanym politetrafluoroetylenem (ePTFE). Efektem tych prac są cienkie, wydajne i trwałe membrany, które charakteryzują się niską rezystancją, co przekłada się na optymalną gęstość prądu.

Doskonale rozumiemy, w jaki sposób właściwości ePTFE – takie jak grubość, moduł, wytrzymałość i anizotropia – wpływają na długoterminową trwałość stosów ogniw paliwowych. Dzięki tej wiedzy jesteśmy w stanie zaoferować produkty ePTFE zoptymalizowane pod kątem kompozytowych membran PEM wzmacnianych ePTFE w stosach ogniw paliwowych – stanowiących ulepszoną alternatywę dla niewzmocnionych membran PEM.

Jak działa ogniwo paliwowe

Schemat na rys. 1 przedstawia typowe ogniwo paliwowe. Wodór i powietrze oddzielnie trafiają do anody i katody, a następnie dyfundują do warstwy katalizatora (elektrody), gdzie zachodzi reakcja elektrochemiczna, w wyniku której powstaje prąd. Pomiędzy elektrodą a kanałem przepływowym umieszczana jest zazwyczaj porowata warstwa (warstwa dyfuzyjna gazu), która ma na celu równomierne rozprowadzenie reaktantów.

Powyższe równanie przedstawia podstawowe reakcje elektrochemiczne dla membrany wymiany protonów (PEMFC). Podczas działania ogniwa paliwowego anoda umożliwia przemianę paliwa (np. wodoru) w elektrony i protony. Wytworzony proton przechodzi przez warstwę jonomerową membrany, podczas gdy elektrony są zmuszone płynąć przez obwód zewnętrzny. Na koniec protony, elektrony i tlen reagują na katodzie, dając wodę.

Membrana pokryta katalizatorem (CCM)

Kluczowym elementem PEMFC jest membrana pokryta katalizatorem (CCM). CCM składa się z anody, katody i warstwy jonomerowej polimerowej membrany elektrolitowej (np. kwasu perfluorosulfonowego), która pełni funkcję elektrolitu. Anoda i katoda zawierają odpowiednie warstwy katalizatora i są połączone warstwowo z PEM. Podczas pracy ogniwa paliwowego, w CCM zachodzą reakcje elektrochemiczne.

Membrana polimerowo-elektrolitowa (PEM)

Główne zadania PEM w ogniwach paliwowych to rozdzielanie gazu anodowego i katodowego, transport protonów, izolowanie elektronów oraz mechaniczne podparcie warstw anody i katody.

Dlaczego zbrojenie PEM jest ważne?

Podczas pracy ogniwa paliwowego PEM pęcznieje, gdy pochłania wodę przy wysokiej wilgotności względnej, i kurczy się, gdy traci wodę przy niskiej wilgotności względnej. Powtarzający się cykl pęcznienia i kurczenia się powoduje duże naprężenia mechaniczne w PEM i późniejszą awarię.

Trwałość i żywotność PEM można znacząco zwiększyć dzięki zbrojeniu, inaczej wzmocnieniu, ePTFE. Podczas cyklu pęcznienia/ kurczenia się duża wytrzymałość mechaniczna i chemiczna obojętność materiału ePTFE tworzy „siłę trzymania”, która może równoważyć powstającą siłę pęcznienia/ kurczenia się. Dlatego też membrany wzmocnione ePTFE mają znacznie lepszą trwałość mechaniczną niż gęste, niewzmocnione membrany.

W rzeczywistości cele Departamentu Energii USA dotyczące trwałości, wynoszące 8,000 godzin dla pojazdów lekkich i 30,00 godzin dla pojazdów ciężkich, nie mogą zostać osiągnięte bez specjalnie zaprojektowanej membrany PEM ze wzmocnieniem ePTFE.

Ponadto cieńsze, wysoce wydajne membrany ePTFE mogą zapewnić to kluczowe wzmocnienie, pomagając jednocześnie utrzymać wysoką gęstość prądu, co pozwala na zastosowanie mniejszej liczby ogniw w stosie, a tym samym na zmniejszenie całkowitej masy. Jest to możliwe bez kompromisów wobec wytrzymałości, wydajności i ilości wytwarzanej energii.

Zastosowanie decyduje o konkretnej strukturze ePTFE

Większość membran wymiany protonów musi być precyzyjnie zaprojektowana dla każdego konkretnego zastosowania. Na przykład wymagania dotyczące stacjonarnych ogniw paliwowych, pojazdów lekkich i pojazdów ciężarowych znacznie się różnią. Dzięki dostępowi do szerokiej gamy struktur ePTFE stosowanych jako wzmocnienie membran PEM producenci OEM mogą określić zarówno wymagane zbrojenie ePTFE, jak i skład chemiczny w celu optymalizacji wydajności ogniw paliwowych.

Chcąc sprostać różnorodnym potrzebom producentów OEM, firma Donaldson opracowała różne generacje membran do różnych zastosowań. Oferowane przez nas produkty obejmują rozwiązania konstrukcyjne opracowane specjalnie dla każdego z tych wyjątkowych zastosowań, co pokazano poniżej.

Właściwa membrana ma znaczenie 

Szeroka oferta membran ePTFE Tetratex™ firmy Donaldson jest owocem dziesięcioleci badań i rozwoju, wciąż spełniając surowe wymagania branżowe dotyczące wydajności, jednocześnie odpowiadając na apele producentów OEM o zmniejszenie rozmiaru stosu. Tetratex jest wytwarzany i dystrybuowany wyłącznie przez firmę Donaldson, która kładzie nacisk na wysoką jakość oraz obsługę klienta, aby zapewnić spójne i terminowe dostawy.

Oferując wiele opcji ePTFE w celu spełnienia szeregu specyfikacji i zastosowań, Donaldson zapewnia producentom OEM oraz dostawcom Tier 1/Tier 2:

• cienkie membrany spełniające wymagania dla dużej gęstości prądu przy zachowaniu wytrzymałości mechanicznej stosu
• zmniejszony rozmiar i wagę stosu
• najwyższą wytrzymałość mechaniczną i wysoką trwałość, zapewniającą długą żywotność
• stałą, niezawodną wydajność
• elastyczność specyfikacji membrany ePTFE niezależnie od powłoki, pozwalającą producentom OEM na wybór optymalnego rozwiązania membrany/powłoki, a nie gotowego (niezoptymalizowanego) rozwiązania