Maior durabilidade com alta densidade de potência, reduzindo o custo total de propriedade

O desenvolvimento da tecnologia de célula a combustível de hidrogênio foi um grande passo para um futuro com energia mais limpa e sem emissão de carbono. Para garantir que as células a combustível continuem sendo uma solução energética viável, sua alta densidade de potência deve ser combinada com durabilidade de longo prazo para reduzir o custo total de propriedade.

Por mais de 15 anos, a Donaldson vem trabalhando com empresas líderes do setor do mundo todo na comercialização de membranas de troca de prótons reforçadas com politetrafluoretileno expandido (ePTFE) de alta engenharia. Como resultado, foram criadas membranas finas, eficientes e duráveis, que oferecem baixa resistência e garantem densidade de corrente ideal.

Temos profundo conhecimento de como as propriedades do ePTFE — como espessura, módulo, resistência máxima e anisotropia — afetam a durabilidade a longo prazo dos stacks de células a combustível. Essa experiência nos permite oferecer produtos ePTFE que são otimizados para PEM composta reforçada com ePTFE para stacks a combustível, uma alternativa avançada para membranas de células a combustível PEM não reforçadas.

Como funciona uma célula a combustível

O esquema da figura 1 mostra uma célula a combustível universal. O hidrogênio e o ar entram no ânodo e no cátodo separadamente e se difundem na camada do catalisador (eletrodo), onde ocorre uma reação eletroquímica para gerar corrente. Normalmente, uma camada porosa (camada de difusão de gás) é colocada entre o eletrodo e o canal de fluxo para distribuir uniformemente os reagentes.

A equação acima mostra as reações eletroquímicas básicas da membrana de troca de prótons (PEMFC). Durante a operação da célula a combustível, o ânodo facilita a conversão de combustível (como hidrogênio) em elétrons e prótons. O próton gerado passa pela camada de ionômero da membrana, enquanto os elétrons são forçados a fluir por um circuito externo. Por fim, prótons, elétrons e oxigênio reagem no cátodo para formar água.

Membrana revestida com catalisador (CCM)

A membrana revestida com catalisador (CCM) é um componente crucial da PEMFC. A CCM é composta de um ânodo, um cátodo e uma camada de ionômero de membrana de eletrólito de polímero (por exemplo, ácido sulfônico perfluorado), que serve como eletrólito. O ânodo e o cátodo compreendem camadas de catalisador apropriadas e são ligados em forma de camada à PEM. As reações eletroquímicas durante a operação da célula a combustível ocorrem na CCM.

Membrana de eletrólito de polímero (PEM)

As principais funções da PEM em células a combustível são separar o gás do ânodo e do cátodo, transportar prótons, isolar os elétrons e fornecer suporte mecânico para as camadas do ânodo e do cátodo.

Qual a importância do reforço de PEM

Durante a operação da célula a combustível, a PEM incha à medida que absorve água a alta umidade relativa e encolhe à medida que perde água a baixa umidade relativa. Este ciclo repetido de expansão/contração leva a uma alta tensão mecânica na PEM e subsequente falha mecânica.

É possível ampliar significativamente a durabilidade e a longevidade da PEM com o reforço de ePTFE. Durante o ciclo de dilatação/encolhimento, a forte resistência mecânica e a inércia química da ePTFE criam uma “força de retenção” que pode contrabalançar a força de dilatação/contração gerada. Portanto, as membranas reforçadas com ePTFE apresentam durabilidade mecânica significativamente melhor do que as membranas densas (não reforçadas).

Na verdade, as metas de durabilidade do US DOE de 8.000 horas para veículos leves e 3.000 horas para veículos pesados não podem ser atingidas sem a membrana PEM desenvolvida com reforço de ePTFE.

Além disso, membranas ePTFE mais finas e altamente eficientes podem fornecer esse reforço crucial, ajudando a manter a alta densidade de corrente, o que acaba reduzindo a quantidade de células em uma stack, e, consequentemente, o peso total. Elas podem fazer isso sem comprometer a força, desempenho ou geração de energia.

A aplicação deve determinar a estrutura específica da ePTFE

A maioria das membranas de troca de prótons precisa ser projetada com precisão para cada aplicação específica. Por exemplo, os requisitos da célula a combustível estacionária com relação a veículos leves ou veículos pesados diferem significativamente. Portanto, o acesso a uma ampla variedade de estruturas de ePTFE usadas como reforço para a membrana PEM permite que os OEMs especifiquem o reforço de ePTFE e a química necessários para otimizar o desempenho da célula a combustível.

Para atender à ampla variedade de necessidades de OEMs, a Donaldson desenvolveu diferentes gerações de membranas para várias aplicações. Nossas ofertas de produtos fornecem soluções de projeto de engenharia para cada uma dessas aplicações exclusivas, conforme mostrado abaixo.

A membrana certa faz a diferença 

O extenso portfólio de membranas de ePTFE exclusivas Tetratex™ da Donaldson evoluiu ao longo de décadas de pesquisa e desenvolvimento, continuando a atender aos rígidos requisitos de desempenho da indústria e às demandas de OEMs para redução do tamanho da stack e do custo total de propriedade. A Tetratex é fabricada e distribuída exclusivamente pela Donaldson, com ênfase na fabricação e atendimento ao cliente de alta qualidade para ajudar a garantir um fornecimento consistente e entrega pontual.

Ao oferecer várias opções de tecnologia de membrana de célula a combustível de hidrogênio de ePTFE para atender a diversas especificações e aplicações, a Donaldson fornece aos OEMs e fornecedores de nível 1/nível 2:

• Membranas finas que atendem aos requisitos de alta densidade de corrente, mantendo a durabilidade mecânica da stack
• Redução do tamanho e do peso da bateria
• Durabilidade mecânica superior e alta resistência, garantindo uma longa vida útil
• Desempenho consistente e confiável
• Flexibilidade para especificar a membrana de ePTFE independente do revestimento, permitindo aos OEMs escolher a solução ideal de membrana/revestimento, em vez de uma solução pré-definida (não otimizada)