Analyse af kulstofpapirs varmeledningsevne - optimering af gasdiffusionslag i brændselsceller

Protonudvekslende brændselscelle (PEMFC)

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), som er en ny lavtemperaturbrændselscelle, har fordelene ved høj effektivitet, lav driftstemperatur og ingen emission, hvilket er en af de vigtigste udviklingsretninger for ny grøn energi.

Kernekomponenten i PEMFC er membranelektrodesamlingen (MEA), som består af to gasdiffusionslag (GDL), to katalytiske lag og en protonudvekslingsmembran.

Reaktionsprincippet for en PEMFC-brændselscelle er vist i figur 1. PEMFC-enkeltcellen består af en EMA (anode, katode og protonudvekslingsmembran) og bipolære plader. Anoden er det sted, hvor oxidationen af brintbrændstof finder sted, og katoden er det sted, hvor redoxen finder sted. Begge poler indeholder katalysatorer for at fremskynde elektrodernes elektrokemiske reaktion, og platin/kulstof eller platin/ruthenium bruges generelt som elektrokatalysatorer. Protonudvekslingsmembranen fungerer som elektrolyt; brint eller renset reformeret gas er brændstoffet; luft eller ren ilt er oxidationsmidlet; og grafitten eller den overflademodificerede metalplade med gasstrømningskanalen er den bipolare plade. Brint og ilt med en vis fugtighed og et vist tryk kommer ind i henholdsvis anoden og katoden og når grænsefladen mellem katalysatorlaget og protonudvekslingsmembranen gennem gasdiffusionslaget (kulstofpapir i figuren), hvor oxidations- og reduktionsreaktioner finder sted under påvirkning af katalysatoren.

Anode:_H2 → ^2H+ + ^2e-

Katode: ½_O2 + ^2H+ + 2^e- →_H2O

Batteriets samlede reaktion: _H2 + ½ _O2 → _H2O

Ved anoden reagerer brintgas elektrokemisk og danner brintioner og elektroner. Brintioner ledes derefter til katoden gennem en protonudvekslingsmembran (protonudvekslingsmembranens unikke egenskaber gør, at kun brintioner kan passere), og elektronerne når katoden gennem et eksternt kredsløb, hvor brintioner, elektroner og ilt reagerer og danner vand. Det genererede vand udledes fra katodeudløbet som vanddamp eller kondensat sammen med overskydende ilt.

Gasdiffusionslag (GDL)

Gasdiffusionslaget (GDL) er placeret i begge ender af membranelektroden, som er en af de vigtige komponenter i brændselscellen; dets rolle omfatter understøttelse af protonudvekslingsmembranen, belægning af katalysatoren, forbindelse af membranelektroden med den bipolare plade osv.

GDL-materialet skal have følgende punkter med hensyn til ydeevne:

1. Fordi GDL befinder sig mellem den bipolare plade og katalysatorlaget, er den elektrokemiske reaktion (dvs. strømtætheden) meget høj - der er en høj grad af galvanisk korrosion - så GDL-materialet skal være korrosionsbestandigt.
2. GDL-materialet skal være et porøst, åndbart materiale, da hydrogen/oxygen eller methanol/luft diffunderer til katalysatorlagets reaktion medium.
3. GDL-materialet spiller rollen som strømleder og skal være et meget ledende materiale.
4. Batterireaktionen er EksotermEn prøveovergang eller en reaktion er eksoterm, hvis der udvikles varme.eksoterm; GDL-materialet skal være et materiale med høj Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne; varmeafledning skal ske rettidigt for at undgå lokal overophedning forårsaget af brud på protonudvekslingsmembranen.
5. GDL-materialet skal have høj hydrofobicitet for at undgå skader på katalysatorlaget forårsaget af det vand, der genereres af batterireaktionen

Kulfiberpapir

Kulfiberpapir (kaldet kulstofpapir) er fremstillet af kortklippede kulfibre som råmateriale; dette har en fiberporøs struktur i mikroskopisk, som kan etablere effektive kanaler til gas- og vandledning. Samtidig har kulstofpapir fordelene ved lav vægt, en flad overflade, korrosionsbestandighed og ensartet porøsitet. Derudover kan kulstofpapirets høje styrke beskytte installationen og brugen af PEMFC-batterier, stabilisere elektrodestrukturen og forbedre batteriets levetid. Fremstillingsprocessen for kulstofpapir er moden med stabil ydeevne; derfor er kulstofpapir blevet det almindelige valg for gasdiffusionslagmaterialer i membranelektroden. Membranelektroden med kulstofpapir som gasdiffusionslag er vist i figur 1. På grund af fiberorienteringsarrangementet i fremstillingsprocessen for kulstofpapir har selve kulstofpapiret forskellige anisotropier.

Da Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne er et af de vigtige indekser for GDL-materialer, blev der i dette arbejde udført test af Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne på en kulstofpapirprøve ved hjælp af NETZSCH LFA HyperFlash^®®. I denne test blev LFA 467 brugt til at teste den termiske diffusivitet af kulstofpapirprøven i henholdsvis vandret og lodret retning, og DSC blev brugt til at teste den specifikke varmekapacitet af kulstofpapirprøven. Prøvens Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne blev opnået ved at multiplicere den termiske diffusivitet, den specifikke varmekapacitet og prøvens densitet (ved stuetemperatur).

Anvendelser

Tabel 1 viser resultaterne af testen af Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i vandret retning for denne kulstofpapirprøve (figur 2). Den støtte, der blev brugt til denne test, er en prøveholder i planet (figur 3), som kan bruges til at teste den termiske diffusivitet af tynde filmmaterialer med høj Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i vandret retning. Man kan se, at prøvens varmediffusivitet i vandret retning ved 25 °C og 100 °C er henholdsvis 58,610 ^mm2/s og 50,122 ^mm2/s, og varmeledningsevnen er henholdsvis 20,568 W/(m*K) og 21,794 W/(m*K).

Figur 4 viser den testede temperaturstigningskurve, og det kan ses, at testkurverne (råsignal - blå) og den tilpassede kurve (modelevaluering - rød) er i meget god overensstemmelse.

Tabel 2 viser resultaterne af testen af varmeledningsevnen for denne kulstofpapirprøve i lodret retning.

Den støtte, der blev brugt til denne test, var en folieprøveholder (figur 5), som kan bruges til at teste den termiske diffusivitet af tyndfilmsprøver i den lodrette retning. Af resultaterne kan man se, at den termiske diffusivitet i prøvens lodrette retning er 7,463 ^mm2/s og 6,408 ^mm2/s ved henholdsvis 25 °C og 100 °C, og den termiske ledningsevne er henholdsvis 2,619 W/(m*K) og 2,786 W/(m*K). Prøvernes Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i den vandrette retning er betydeligt højere end i den lodrette retning med tydelig individuel anisotropi. Fordi prøven har en porøs fiberstruktur, er der en vis grad af lystransmission, når man tester i den lodrette retning.

Sammenfatning

I protonudvekslingsmembranbrændselsceller fungerer gasdiffusionslaget som en vigtig komponent i membranelektroden, og omkostningerne til det udgør normalt 20-25 % af omkostningerne til membranelektroden.

Industrianalyser forudsiger, at markedsstørrelsen for globale gasdiffusionslagsmaterialer vil nå op på 3,34 milliarder USD i 2024. Kulstofpapir, som er det foretrukne materiale til gasdiffusionslaget, har en meget lovende fremtid for industriudviklingen i Kina. Varmeledningsevne er en af de vigtige indikatorer for kulstofpapir. Med NETZSCH Flash Thermal Conductivity Analyzer LFA 467 og dens in-plane holder og folieprøveholder kan varmeledningsevnen for kulstofpapirprøver i vandret og lodret retning testes præcist og bekvemt.