تحليل الموصلية الحرارية لورق الكربون - تحسين طبقات انتشار الغازات في خلايا الوقود

خلية الوقود بالتبادل البروتوني (PEMFC)

تتمتع خلية وقود غشاء التبادل البروتوني للوقود (PEMFC)، باعتبارها خلية وقود ناشئة منخفضة الحرارة، بمزايا الكفاءة العالية ودرجة حرارة التشغيل المنخفضة والانبعاثات الصفرية، وهي أحد الاتجاهات الرئيسية لتطوير الطاقة الخضراء الجديدة.

والمكون الأساسي لمركب فلوريد الفينيل المتعدد الطاقات هو مجموعة الأقطاب الكهربائية الغشائية (MEA)، والتي تتكون من طبقتين لانتشار الغاز (GDL) وطبقتين حفازتين، وغشاء تبادل البروتونات.

يظهر مبدأ التفاعل لخلية وقود PEMFC في الشكل 1. تتكون الخلية الأحادية PEMFC من خلية وقود أحادية PEMFC من أنود وكاثود وغشاء تبادل البروتونات (الأنود والكاثود وغشاء تبادل البروتونات) وألواح ثنائية القطب. القطب الموجب هو المكان الذي تحدث فيه أكسدة وقود الهيدروجين، والكاثود هو المكان الذي تحدث فيه عملية الأكسدة والاختزال. ويحتوي كلا القطبين على محفزات لتسريع التفاعل الكهروكيميائي للأقطاب الكهربائية، ويستخدم البلاتين/الكربون أو البلاتين/الروثينيوم بشكل عام كمحفزات كهربائية. ويعمل غشاء التبادل البروتوني بمثابة المنحل بالكهرباء؛ والهيدروجين أو الغاز المنقى المعاد إصلاحه هو الوقود؛ والهواء أو الأكسجين النقي هو المؤكسد؛ والجرافيت أو الصفيحة المعدنية المعدلة السطح مع قناة تدفق الغاز هي الصفيحة ثنائية القطب. يدخل الهيدروجين والأكسجين مع رطوبة وضغط معينين إلى الأنود والكاثود على التوالي، ويصلان إلى الواجهة بين الطبقة الحفازة وغشاء تبادل البروتونات من خلال طبقة انتشار الغاز (ورق الكربون في الشكل)، حيث تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال تحت تأثير المحفز.

الأنود: _H2 → ^2H+ + ^2e-

القطب السالب: ½ _O2 + ^2H+ + 2H+ + 2 ^e- → _H2O

تفاعل البطارية الكلي: → _H2 + ½ _O2 → _H2O

عند الأنود، يتفاعل غاز الهيدروجين كهروكيميائياً لتكوين أيونات الهيدروجين والإلكترونات. وبعد ذلك يتم توصيل أيونات الهيدروجين إلى المهبط من خلال غشاء تبادل البروتونات (تسمح الخصائص الفريدة لغشاء تبادل البروتونات بمرور أيونات الهيدروجين فقط) وتصل الإلكترونات إلى المهبط من خلال دائرة خارجية، حيث تتفاعل أيونات الهيدروجين والإلكترونات والأكسجين لتكوين الماء. يتم تفريغ الماء المتولد من مخرج المهبط على شكل بخار ماء أو مكثفات مع الأكسجين الزائد.

طبقة انتشار الغازات (GDL)

تقع طبقة انتشار الغاز (GDL) على طرفي القطب الغشائي، وهي أحد المكونات المهمة لخلية الوقود؛ ويشمل دورها دعم غشاء تبادل البروتونات، وطلاء المحفز، وربط القطب الغشائي مع اللوحة ثنائية القطب، وما إلى ذلك.

يجب أن تحتوي مادة GDL على النقاط التالية من حيث الأداء:

1. نظرًا لأن GDL يقع بين الصفيحة ثنائية القطب وطبقة المحفز، يكون التفاعل الكهروكيميائي (أي كثافة التيار) مرتفعًا جدًا - هناك درجة عالية من التآكل الجلفاني - لذلك يجب أن تتمتع مادة GDL بمقاومة للتآكل.
2. يجب أن تكون مادة GDL - حيث أن انتشار الهيدروجين/الأكسجين أو الميثانول/الهواء إلى تفاعل الطبقة المحفزة medium - يجب أن تكون مادة مسامية وقابلة للتنفس.
3. تلعب مادة GDL دور موصل التيار ويجب أن تكون مادة عالية التوصيل.
4. تفاعل البطارية طارد للحرارة؛ يجب أن تكون مادة GDL مادة عالية التوصيل الحراري؛ يجب أن يكون تبديد الحرارة في الوقت المناسب لتجنب ارتفاع درجة الحرارة الموضعي الناجم عن كسر غشاء التبادل البروتوني.
5. يجب أن تكون مادة GDL ذات قدرة عالية على مقاومة الماء لتجنب تلف طبقة المحفز الناجم عن الماء الناتج عن تفاعل البطارية

ورق ألياف الكربون

يتم تصنيع ورق الألياف الكربونية (المشار إليه بورق الكربون) من ألياف الكربون القصيرة كمادة خام، وهو يحتوي على بنية مسامية ليفية مجهرية، والتي يمكن أن تنشئ قنوات فعالة لتوصيل الغاز والماء. وفي الوقت نفسه، يتميز ورق الكربون بمزايا الوزن الخفيف والسطح المسطح ومقاومة التآكل والمسامية الموحدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للقوة العالية لورق الكربون أن توفر الحماية لتركيب واستخدام بطاريات PEMFC، وتثبيت هيكل القطب الكهربائي وتحسين عمر البطارية. إن عملية تصنيع ورق الكربون ناضجة وذات أداء مستقر؛ ولذلك، أصبح ورق الكربون الخيار السائد لمواد طبقة انتشار الغاز في القطب الكهربائي الغشائي. يظهر القطب الغشائي مع ورق الكربون كطبقة انتشار الغاز في الشكل 1. ونظرًا لترتيب اتجاه الألياف في عملية تحضير ورق الكربون، فإن ورق الكربون نفسه له تباينات مختلفة.

وبالنظر إلى أن التوصيل الحراري هو أحد المؤشرات المهمة لمواد GDL، في هذا العمل، تم إجراء اختبارات التوصيل الحراري على عينة من ورق الكربون بواسطة NETZSCH LFA HyperFlash^®®. في هذا الاختبار، استُخدم جهاز LFA 467 لاختبار الانتشار الحراري لعينة ورق الكربون في الاتجاهين الأفقي والرأسي على التوالي، واستُخدم DSC لاختبار السعة الحرارية النوعية لعينة ورق الكربون. تم الحصول على الموصلية الحرارية للعينة من خلال ضرب الانتشار الحراري والسعة الحرارية النوعية والكثافة (في درجة حرارة الغرفة) للعينة.

التطبيقات

يوضح الجدول 1 نتائج اختبار الموصلية الحرارية في الاتجاه الأفقي لعينة ورق الكربون هذه (الشكل 2). والدعامة المستخدمة في هذا الاختبار هي حامل عينة في المستوى (الشكل 3)، والتي يمكن استخدامها لاختبار الانتشار الحراري للمواد الرقيقة ذات الموصلية الحرارية العالية في الاتجاه الأفقي. يمكن ملاحظة أن الانتشار الحراري في الاتجاه الأفقي للعينة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية و100 درجة مئوية هو 58.610 ^مم2/ث و50.122 ^مم2/ث على التوالي، والتوصيل الحراري هو 20.568 واط/(م*ك) و21.794 واط/(م*ك) على التوالي.

يُظهر الشكل 4 منحنى ارتفاع درجة الحرارة المختبر، ويمكن ملاحظة أن منحنيات الاختبار (الإشارة الخام - أزرق) والمنحنى المجهز (تقييم النموذج - أحمر) متوافقان بشكل جيد للغاية.

يوضح الجدول 2 نتائج اختبار التوصيل الحراري لعينة ورق الكربون هذه في الاتجاه الرأسي.

كانت الدعامة المستخدمة في هذا الاختبار عبارة عن حامل عينة من رقائق معدنية (الشكل 5) يمكن استخدامه لاختبار الانتشار الحراري لعينات الأغشية الرقيقة في الاتجاه الرأسي. ومن النتائج، يمكن ملاحظة أن الانتشار الحراري في الاتجاه الرأسي للعينة يبلغ 7.463 ^{مم2/ثانية} و6.408 ^{مم2/ثانية} عند 25 درجة مئوية و100 درجة مئوية على التوالي، وتبلغ الموصلية الحرارية 2.619 واط/(م*ك) و2.786 واط/(م*ك) على التوالي. تكون الموصلية الحرارية للعينات في الاتجاه الأفقي أعلى بكثير من تلك الموجودة في الاتجاه الرأسي، مع وجود تباين فردي واضح. نظرًا لأن العينة تحتوي على بنية ألياف مسامية، فهناك درجة معينة من انتقال الضوء عند الاختبار في الاتجاه الرأسي.

الملخص

في خلايا الوقود الغشائية للتبادل البروتوني الغشائي، تعمل طبقة انتشار الغاز كمكون مهم في القطب الكهربائي الغشائي، وعادة ما تمثل تكلفتها 20-25% من تكلفة القطب الكهربائي الغشائي.

وتوقع تحليل الصناعة أن يصل حجم سوق مواد طبقة انتشار الغاز العالمية إلى 3.34 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2024. ويتمتع ورق الكربون، باعتباره المادة المفضلة لطبقة انتشار الغاز، بمستقبل واعد جدًا لتطوير الصناعة في الصين. وتعتبر الموصلية الحرارية أحد المؤشرات المهمة لأوراق الكربون. وبفضل جهاز تحليل التوصيل الحراري NETZSCH Flash Thermal Conductivity Analyzer LFA 467 وحامله داخل الطائرة وحامل عينة الرقائق، يمكن اختبار الموصلية الحرارية لعينات ورق الكربون في الاتجاهين الأفقي والرأسي بدقة وسهولة.