Warmtegeleidingsanalyse van koolstofpapier - optimalisatie van de gasdiffusielagen van brandstofcellen

Protonuitwisselingsbrandstofcel (PEMFC)

Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), een opkomende brandstofcel bij lage temperatuur, heeft de voordelen van hoge efficiëntie, lage bedrijfstemperatuur en emissievrije werking, wat een van de belangrijkste ontwikkelingsrichtingen is van nieuwe groene energie.

De kerncomponent van PEMFC is de Membrane Electrode Assembly (MEA), die bestaat uit twee gasdiffusielagen (GDL), twee katalytische lagen en een protonuitwisselingsmembraan.

Het reactieprincipe van een PEMFC-brandstofcel wordt weergegeven in figuur 1. De PEMFC enkelvoudige cel bestaat uit een EMA (anode, kathode en protonuitwisselingsmembraan) en bipolaire platen. De anode is de plaats waar de OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie van waterstofbrandstof plaatsvindt en de kathode is de plaats waar de redox plaatsvindt. Beide polen bevatten katalysatoren om de elektrochemische reactie van de elektroden te versnellen, en platina/koolstof of platina/ruthenium worden over het algemeen gebruikt als de elektrokatalysatoren. Het protonuitwisselingsmembraan fungeert als elektrolyt; waterstof of gezuiverd gereformeerd gas is de brandstof; lucht of zuivere zuurstof is het oxidatiemiddel; en het grafiet of de oppervlaktegemodificeerde metalen plaat met het gasstroomkanaal is de bipolaire plaat. Waterstof en zuurstof met een bepaalde vochtigheid en druk komen respectievelijk de anode en kathode binnen en bereiken het grensvlak tussen de katalysatorlaag en het protonuitwisselingsmembraan via de gasdiffusielaag (koolstofpapier in de afbeelding), waar OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie- en reductiereacties plaatsvinden onder invloed van de katalysator.

Anode:_H2 → ^2H+ + ^2e-

Kathode: ½ _O2 + ^2H+ + 2^e- →_H2O

Totale batterijreactie: _H2 + ½ _O2 → _H2O

Aan de anode reageert waterstofgas elektrochemisch om waterstofionen en elektronen te vormen. De waterstofionen worden vervolgens naar de kathode geleid via een protonuitwisselingsmembraan (de unieke eigenschappen van het protonuitwisselingsmembraan laten alleen waterstofionen door) en de elektronen bereiken de kathode via een extern circuit, waar de waterstofionen, elektronen en zuurstof reageren tot water. Het gegenereerde water wordt samen met overtollige zuurstof uit de kathode-uitlaat afgevoerd als waterdamp of condensaat.

Gasdiffusielaag (GDL)

De gasdiffusielaag (GDL) bevindt zich aan beide uiteinden van de membraanelektrode, die een van de belangrijke onderdelen van de brandstofcel is; hij ondersteunt het protonuitwisselingsmembraan, bedekt de katalysator, verbindt de membraanelektrode met de bipolaire plaat, enz.

Het GDL-materiaal moet op de volgende punten presteren:

1. Omdat de GDL zich tussen de bipolaire plaat en de katalysatorlaag bevindt, is de elektrochemische reactie (d.w.z. de stroomdichtheid) zeer hoog - er is een hoge mate van galvanische corrosie - dus het GDL-materiaal moet corrosiebestendig zijn.
2. Het GDL-materiaal - als waterstof/zuurstof of methanol/lucht diffusie naar de katalysatorlaag reactie medium - moet een poreus, ademend materiaal zijn.
3. Het GDL-materiaal speelt de rol van stroomgeleider en moet een sterk geleidend materiaal zijn.
4. De batterijreactie is ExothermEen monsterovergang of een reactie is exotherm als er warmte wordt opgewekt.exotherm; het GDL-materiaal moet een materiaal met een hoge Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid zijn; de warmte moet tijdig worden afgevoerd om plaatselijke oververhitting door breuk van het protonuitwisselingsmembraan te voorkomen.
5. Het GDL-materiaal moet een hoge hydrofobiciteit hebben om schade aan de katalysatorlaag te voorkomen die wordt veroorzaakt door het water dat door de batterijreactie wordt gegenereerd

Papier met koolstofvezel

Koolstofvezelpapier (ook wel carbonpapier genoemd) wordt vervaardigd uit kort gesneden koolstofvezels als grondstof; dit heeft een microscopisch poreuze vezelstructuur, die effectieve kanalen voor gas- en watergeleiding kan creëren. Tegelijkertijd heeft carbonpapier de voordelen van een licht gewicht, een vlak oppervlak, corrosiebestendigheid en uniforme porositeit. Bovendien kan de hoge sterkte van carbonpapier bescherming bieden voor de installatie en het gebruik van PEMFC-batterijen, de elektrodestructuur stabiliseren en de levensduur van de batterij verbeteren. Het fabricageproces van carbonpapier is volwassen en levert stabiele prestaties; daarom is carbonpapier de belangrijkste keuze geworden voor materialen voor gasdiffusielagen in de membraanelektrode. De membraanelektrode met koolstofpapier als gasdiffusielaag wordt getoond in afbeelding 1. Door de ordening van de vezels in het bereidingsproces van koolstofpapier heeft het koolstofpapier zelf verschillende anisotropieën.

Aangezien Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid een van de belangrijke indexen is van GDL-materialen, werden in dit werk thermische geleidbaarheidstests uitgevoerd op een carbonpapiermonster met behulp van de NETZSCH LFA HyperFlash^®®. In deze test werd de LFA 467 gebruikt om de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van het carbonpapiermonster in respectievelijk horizontale en verticale richtingen te testen en werd DSC gebruikt om de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit van het carbonpapiermonster te testen. De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van het monster werd verkregen door vermenigvuldiging van de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie, de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit en de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid (bij kamertemperatuur) van het monster.

Toepassingen

Tabel 1 toont de resultaten van de thermische geleidbaarheidstest in horizontale richting voor dit carbonpapiermonster (afbeelding 2). De drager die gebruikt is voor deze test is een inplane preparaathouder (figuur 3), die gebruikt kan worden om de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van dunne filmmaterialen met hoge Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid in horizontale richting te testen. Het is te zien dat de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie in de horizontale richting van het monster bij 25°C en 100°C respectievelijk 58,610 ^mm2/s en 50,122 ^mm2/s is, en de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid respectievelijk 20,568 W/(m*K) en 21,794 W/(m*K).

Figuur 4 toont de geteste temperatuurstijgingscurve en het is te zien dat de testcurves (ruw signaal - blauw) en de gepaste curve (modelevaluatie - rood) zeer goed overeenkomen.

Tabel 2 toont de resultaten van de thermische geleidbaarheidstest voor dit carbonpapiermonster in verticale richting.

De drager die gebruikt werd voor deze test was een foliemonsterhouder (afbeelding 5) die gebruikt kan worden om de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van dunne filmmonsters in verticale richting te testen. Uit de resultaten blijkt dat de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie in de verticale richting van het proefstuk 7,463 ^mm2/s en 6,408 ^mm2/s is bij 25°C en 100°C, respectievelijk, en dat de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid 2,619 W/(m*K) en 2,786 W/(m*K) is. De warmtegeleidingscoëfficiënt van de monsters in horizontale richting is aanzienlijk hoger dan die in verticale richting, met een duidelijke individuele anisotropie. Omdat het monster een poreuze vezelstructuur heeft, is er een zekere mate van lichttransmissie bij het testen in verticale richting.

Samenvatting

In protonuitwisselingsmembraanbrandstofcellen is de gasdiffusielaag een belangrijk onderdeel van de membraanelektrode en de kosten ervan bedragen gewoonlijk 20-25% van de kosten van de membraanelektrode.

Volgens een analyse van de industrie zal de marktomvang voor materialen voor gasdiffusielagen wereldwijd 3,34 miljard USD bereiken in 2024. Koolstofpapier, als het geprefereerde materiaal voor de gasdiffusielaag, heeft een veelbelovende toekomst voor de ontwikkeling van de industrie in China. Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.Thermische geleidbaarheid is een van de belangrijke indicatoren voor carbonpapier. Met de NETZSCH Flash Thermal Conductivity Analyzer LFA 467 en de in-plane houder en foliemonsterhouder kan de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van monsters van koolstofpapier in horizontale en verticale richting nauwkeurig en gemakkelijk getest worden.