Analýza tepelné vodivosti uhlíkového papíru - optimalizace difúzních vrstev palivových článků pro plyny

Protonový výměnný palivový článek (PEMFC)

Palivový článek s protonovou výměnou (PEMFC), jako nově vznikající nízkoteplotní palivový článek, má výhody vysoké účinnosti, nízké provozní teploty a nulových emisí, což je jeden z hlavních směrů vývoje nové zelené energie.

Základní součástí PEMFC je membránová elektrodová sestava (MEA), která se skládá ze dvou plynových difúzních vrstev (GDL), dvou katalytických vrstev a protonové výměnné membrány.

Princip reakce palivového článku PEMFC je znázorněn na obrázku 1. Jednoduchý článek PEMFC se skládá z EMA (anoda, katoda a protonová výměnná membrána) a bipolárních desek. Anoda je místo, kde dochází k oxidaci vodíkového paliva, a katoda je místo, kde dochází k redoxní reakci. Oba póly obsahují katalyzátory, které urychlují elektrochemickou reakci elektrod, a jako elektrokatalyzátory se obvykle používají platina/uhlík nebo platina/ruthen. Protonová výměnná membrána slouží jako elektrolyt, palivem je vodík nebo čištěný reformovaný plyn, oxidačním činidlem je vzduch nebo čistý kyslík a bipolární deskou je grafit nebo povrchově upravená kovová deska s kanálem pro proudění plynu. Vodík a kyslík s určitou vlhkostí a tlakem vstupují na anodu, resp. katodu, a přes difuzní vrstvu plynu (na obrázku uhlíkový papír) se dostávají na rozhraní mezi vrstvou katalyzátoru a protonovou výměnnou membránou, kde působením katalyzátoru probíhají oxidační a redukční reakce.

Anoda:_H2 → ^2H+ + ^2e-

Katoda: ½ _O2 + ^2H+ + 2^e- →_H2O

Celková reakce baterie: _H2 + ½ _O2 → _H2O

Na anodě probíhá elektrochemická reakce plynného vodíku za vzniku vodíkových iontů a elektronů. Vodíkové ionty jsou pak vedeny ke katodě přes protonovou výměnnou membránu (jedinečné vlastnosti protonové výměnné membrány umožňují průchod pouze vodíkovým iontům) a elektrony se přes vnější okruh dostávají ke katodě, kde vodíkové ionty, elektrony a kyslík reagují za vzniku vody. Vzniklá voda je odváděna z katodového výstupu jako vodní pára nebo kondenzát spolu s přebytečným kyslíkem.

Difúzní vrstva plynu (GDL)

Difuzní vrstva plynu (GDL) se nachází na obou koncích membránové elektrody, která je jednou z důležitých součástí palivového článku; její úloha spočívá v podpoře protonové výměnné membrány, pokrytí katalyzátoru, spojení membránové elektrody s bipolární deskou atd.

Materiál GDL musí mít z hlediska výkonu následující vlastnosti:

1. Protože se GDL nachází mezi bipolární deskou a vrstvou katalyzátoru, je elektrochemická reakce (tj. HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota proudu) velmi vysoká - existuje vysoký stupeň galvanické koroze - takže materiál GDL musí být odolný proti korozi.
2. Materiál GDL - vzhledem k tomu, že dochází k difúzi vodíku/kyslíku nebo metanolu/vzduchu do reakční vrstvy katalyzátoru medium - musí být porézní, prodyšný materiál.
3. Materiál GDL hraje roli vodiče proudu a musí být vysoce vodivým materiálem.
4. Reakce v baterii je exotermická; materiál GDL musí být materiál s vysokou tepelnou vodivostí; odvod tepla musí být včasný, aby nedošlo k lokálnímu přehřátí způsobenému porušením membrány protonové výměny.
5. Materiál GDL by měl mít vysokou hydrofobnost, aby se zabránilo poškození vrstvy katalyzátoru vodou vznikající při reakci baterie

Papír z uhlíkových vláken

Papír z uhlíkových vláken (označovaný jako uhlíkový papír) se vyrábí z krátce střižených uhlíkových vláken jako suroviny; tato vlákna mají mikroskopickou porézní strukturu, která může vytvořit účinné kanály pro vedení plynu a vody. Uhlíkový papír má zároveň výhody nízké hmotnosti, rovného povrchu, odolnosti proti korozi a rovnoměrné pórovitosti. Kromě toho může vysoká pevnost uhlíkového papíru přinést ochranu pro instalaci a používání baterií PEMFC, stabilizovat strukturu elektrod a zlepšit životnost baterií. Výrobní proces uhlíkového papíru je vyspělý a má stabilní výkon; proto se uhlíkový papír stal hlavní volbou pro materiály difúzní vrstvy plynu v membránové elektrodě. Membránová elektroda s uhlíkovým papírem jako difuzní vrstvou plynu je znázorněna na obrázku 1. Vzhledem k uspořádání orientace vláken v procesu přípravy uhlíkového papíru má samotný uhlíkový papír různé anizotropie.

Vzhledem k tomu, že Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost je jedním z důležitých ukazatelů materiálů GDL, byly v této práci provedeny testy tepelné vodivosti na vzorku uhlíkového papíru pomocí přístroje NETZSCH LFA HyperFlash^®®. Při této zkoušce byla pomocí přístroje LFA 467 testována Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita vzorku uhlíkového papíru v horizontálním, resp. vertikálním směru a pomocí DSC byla testována Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita vzorku uhlíkového papíru. Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost vzorku byla získána vynásobením tepelné difuzivity, měrné tepelné kapacity a hustoty (při pokojové teplotě) vzorku.

Aplikace

V tabulce 1 jsou uvedeny výsledky zkoušky tepelné vodivosti v horizontálním směru pro tento vzorek uhlíkového papíru (obrázek 2). Nosičem použitým pro tuto zkoušku je držák vzorku v rovině (obrázek 3), který lze použít pro zkoušku tepelné difuzivity tenkovrstvých materiálů s vysokou tepelnou vodivostí v horizontálním směru. Je vidět, že Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita vzorku v horizontálním směru při 25 °C a 100 °C je 58,610 ^mm2/s, resp. 50,122 ^mm2/s, a Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost je 20,568 W/(m*K), resp. 21,794 W/(m*K).

Na obrázku 4 je zobrazena testovaná křivka nárůstu teploty a je vidět, že testovací křivky (surový signál - modrá) a přizpůsobená křivka (vyhodnocení modelu - červená) jsou ve velmi dobré shodě.

V tabulce 2 jsou uvedeny výsledky zkoušky tepelné vodivosti tohoto vzorku uhlíkového papíru ve svislém směru.

Jako podložka pro tento test byl použit fóliový držák vzorků (obr. 5), který lze použít pro testování tepelné difuzivity vzorků tenkých vrstev ve vertikálním směru. Z výsledků je patrné, že Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita ve vertikálním směru vzorku je 7,463 ^mm2/s a 6,408 ^mm2/s při 25 °C a 100 °C a Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost je 2,619 W/(m*K) a 2,786 W/(m*K). Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost vzorků v horizontálním směru je výrazně vyšší než ve vertikálním směru, přičemž je zřejmá individuální anizotropie. Vzhledem k tomu, že vzorek má porézní strukturu vláken, dochází při testování ve vertikálním směru k určitému stupni propustnosti světla.

Souhrn

V palivových článcích s protonovou výměnnou membránou slouží vrstva pro difúzi plynů jako důležitá součást membránové elektrody a její cena obvykle představuje 20-25 % ceny membránové elektrody.

Analýza odvětví předpovídá, že velikost globálního trhu s materiály pro difuzní vrstvu plynu dosáhne do roku 2024 3,34 miliardy USD. Uhlíkový papír, jako preferovaný materiál pro vrstvu pro difúzi plynů, má velmi slibnou budoucnost pro rozvoj průmyslu v Číně. Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost je jedním z důležitých ukazatelů uhlíkových papírů. S analyzátorem tepelné vodivosti NETZSCH Flash LFA 467 a jeho držákem v rovině a držákem fóliových vzorků lze přesně a pohodlně testovat tepelnou vodivost vzorků uhlíkového papíru v horizontálním a vertikálním směru.