Analisis Konduktivitas Termal Kertas Karbon - Mengoptimalkan Lapisan Difusi Gas Sel Bahan Bakar

Sel Bahan Bakar Pertukaran Proton (Proton Exchange Fuel Cell/PEMFC)

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), sebagai sel bahan bakar suhu rendah yang sedang berkembang, memiliki keunggulan efisiensi tinggi, suhu operasi rendah, dan emisi nol, yang merupakan salah satu arah pengembangan utama energi hijau baru.

Komponen inti dari PEMFC adalah Membrane Electrode Assembly (MEA), yang terdiri dari dua Lapisan Difusi Gas (GDL), dua lapisan katalitik, dan membran penukar proton.

Prinsip reaksi sel bahan bakar PEMFC ditunjukkan pada gambar 1. Sel tunggal PEMFC terdiri dari EMA (anoda, katoda, dan membran penukar proton) dan pelat bipolar. Anoda adalah tempat terjadinya OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi bahan bakar hidrogen, dan katoda adalah tempat terjadinya redoks. Kedua kutub mengandung katalis untuk mempercepat reaksi elektrokimia elektroda, dan platina/karbon atau platina/rutenium umumnya digunakan sebagai elektrokatalis. Membran penukar proton bertindak sebagai elektrolit; hidrogen atau gas yang dimurnikan adalah bahan bakar; udara atau oksigen murni adalah oksidan; dan grafit atau pelat logam yang dimodifikasi permukaannya dengan saluran aliran gas adalah pelat bipolar. Hidrogen dan oksigen dengan kelembaban dan tekanan tertentu masing-masing memasuki anoda dan katoda, dan mencapai antarmuka antara lapisan katalis dan membran penukar proton melalui lapisan difusi gas (kertas karbon pada gambar), di mana reaksi OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi dan reduksi terjadi di bawah aksi katalis.

Anoda_H2 → ^2H+ + ^2e-

Katoda: ½_O2 + ^2H+ + 2 ^e- →_H2O

Reaksi baterai total: _H2 + ½ _O2 → _H2O

Di anoda, gas hidrogen bereaksi secara elektrokimia untuk membentuk ion hidrogen dan elektron. Ion hidrogen kemudian dialirkan ke katoda melalui membran penukar proton (sifat unik membran penukar proton memungkinkan hanya ion hidrogen yang dapat melewatinya) dan elektron mencapai katoda melalui sirkuit eksternal, di mana ion hidrogen, elektron, dan oksigen bereaksi membentuk air. Air yang dihasilkan dibuang dari saluran keluar katoda sebagai uap air atau kondensat bersama dengan oksigen berlebih.

Lapisan Difusi Gas (GDL)

Lapisan Difusi Gas (GDL) terletak di kedua ujung elektroda membran, yang merupakan salah satu komponen penting dari sel bahan bakar; perannya termasuk mendukung membran penukar proton, melapisi katalis, menghubungkan elektroda membran dengan pelat bipolar, dll.

Bahan GDL harus memiliki poin-poin berikut dalam hal kinerja:

1. Karena GDL berada di antara pelat bipolar dan lapisan katalis, reaksi elektrokimia (yaitu, kerapatan arus) sangat tinggi - ada tingkat korosi galvanik yang tinggi - sehingga bahan GDL harus memiliki ketahanan terhadap korosi.
2. Bahan GDL - sebagai difusi hidrogen / oksigen atau metanol / udara ke reaksi lapisan katalis medium - haruslah bahan yang berpori dan dapat bernapas.
3. Bahan GDL berperan sebagai konduktor arus dan harus merupakan bahan yang sangat konduktif.
4. Reaksi baterai bersifat eksotermis; bahan GDL harus merupakan bahan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang tinggi; pembuangan panas harus tepat waktu untuk menghindari panas berlebih lokal yang disebabkan oleh kerusakan membran penukar proton.
5. Bahan GDL harus memiliki hidrofobisitas tinggi untuk menghindari kerusakan pada lapisan katalis yang disebabkan oleh air yang dihasilkan oleh reaksi baterai

Kertas Serat Karbon

Kertas serat karbon (disebut sebagai kertas karbon) dibuat dari serat karbon yang dipotong pendek sebagai bahan bakunya; kertas ini memiliki struktur berpori serat secara mikroskopis, yang dapat membentuk saluran yang efektif untuk konduksi gas dan air. Pada saat yang sama, kertas karbon memiliki keunggulan bobot yang ringan, permukaan yang rata, ketahanan terhadap korosi dan porositas yang seragam. Selain itu, kekuatan kertas karbon yang tinggi dapat memberikan perlindungan untuk pemasangan dan penggunaan baterai PEMFC, menstabilkan struktur elektroda, dan meningkatkan masa pakai baterai. Proses pembuatan kertas karbon sudah matang, dengan kinerja yang stabil; oleh karena itu, kertas karbon telah menjadi pilihan utama untuk bahan lapisan difusi gas dalam elektroda membran. Elektroda membran dengan kertas karbon sebagai lapisan difusi gas ditunjukkan pada Gambar 1. Karena pengaturan orientasi serat dalam proses persiapan kertas karbon, kertas karbon itu sendiri memiliki berbagai anisotropi.

Mengingat Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal merupakan salah satu indeks penting dari bahan GDL, dalam penelitian ini, pengujian Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal dilakukan pada sampel kertas karbon dengan menggunakan NETZSCH LFA HyperFlash^®®. Dalam pengujian ini, LFA 467 digunakan untuk menguji Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal sampel kertas karbon dalam arah horizontal dan vertikal, dan DSC digunakan untuk menguji Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen. kapasitas panas spesifik sampel kertas karbon. Konduktivitas termal sampel diperoleh dengan mengalikan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal, Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen. kapasitas panas spesifik dan densitas (pada suhu kamar) sampel.

Aplikasi

Tabel 1 menunjukkan hasil uji Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal pada arah horizontal untuk sampel kertas karbon ini (gambar 2). Penopang yang digunakan untuk pengujian ini adalah penahan sampel dalam bidang (gambar 3), yang dapat digunakan untuk menguji Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal dari bahan film tipis dengan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang tinggi pada arah horizontal. Dapat dilihat bahwa Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal pada arah horizontal sampel pada suhu 25°C dan 100°C masing-masing adalah 58,610 ^mm2/s dan 50,122 ^mm2/s, dan konduktivitas termalnya adalah 20,568 W/(m*K) dan 21,794 W/(m*K).

Gambar 4 menunjukkan kurva kenaikan suhu yang diuji, dan dapat dilihat bahwa kurva pengujian (sinyal mentah - biru) dan kurva yang dipasang (evaluasi model - merah) memiliki kesesuaian yang sangat baik.

Tabel 2 menunjukkan hasil uji konduktivitas termal untuk sampel kertas karbon ini pada arah vertikal.

Penopang yang digunakan untuk pengujian ini adalah tempat sampel foil (gambar 5) yang dapat digunakan untuk menguji Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal sampel film tipis pada arah vertikal. Dari hasil pengujian, dapat dilihat bahwa difusivitas termal pada arah vertikal sampel adalah 7,463 ^mm2/s dan 6,408 ^mm2/s pada suhu 25°C dan 100°C, dan konduktivitas termalnya adalah 2,619 W/(m*K) dan 2,786 W/(m*K). Konduktivitas termal sampel pada arah horizontal secara signifikan lebih tinggi daripada konduktivitas termal pada arah vertikal, dengan anisotropi individual yang jelas. Karena sampel memiliki struktur serat berpori, maka, terdapat tingkat transmisi cahaya tertentu ketika menguji pada arah vertikal.

Ringkasan

Dalam sel bahan bakar membran penukar proton, lapisan difusi gas berfungsi sebagai komponen penting dari elektroda membran, dan biayanya biasanya mencapai 20-25% dari biaya elektroda membran.

Analisis industri memperkirakan bahwa ukuran pasar untuk bahan lapisan difusi gas global akan mencapai USD 3,34 miliar pada tahun 2024. Kertas karbon, sebagai bahan pilihan untuk lapisan difusi gas, memiliki masa depan yang sangat menjanjikan untuk pengembangan industri di China. Konduktivitas termal adalah salah satu indikator penting untuk kertas karbon. Dengan NETZSCH Flash Thermal Conductivity Analyzer LFA 467 dan pemegang sampel in-plane serta pemegang sampel foil, konduktivitas termal sampel kertas karbon dalam arah horizontal dan vertikal dapat diuji secara akurat dan nyaman.