Bränslecell med protonutbyte (PEMFC)
Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), som är en framväxande lågtemperaturbränslecell, har fördelarna med hög effektivitet, låg driftstemperatur och nollutsläpp, vilket är en av de viktigaste utvecklingsriktningarna för ny grön energi.
Kärnan i PEMFC är membranelektroden (MEA), som består av två gasdiffusionsskikt (GDL), två katalytiska skikt och ett protonbytarmembran.
Reaktionsprincipen för en PEMFC-bränslecell visas i figur 1. PEMFC-enkelcellen består av en EMA (anod, katod och protonbytarmembran) och bipolära plattor. Anoden är den plats där oxidationen av vätebränslet sker och katoden är den plats där redoxen sker. Båda polerna innehåller katalysatorer för att påskynda elektrodernas elektrokemiska reaktion, och platina/kol eller platina/ruthenium används i allmänhet som elektrokatalysatorer. Protonbytarmembranet fungerar som elektrolyt; vätgas eller renad reformerad gas är bränslet; luft eller rent syre är oxidationsmedlet; och grafiten eller den ytmodifierade metallplattan med gasflödeskanalen är den bipolära plattan. Väte och syre med en viss fuktighet och tryck kommer in i anoden respektive katoden och når gränssnittet mellan katalysatorskiktet och protonutbytesmembranet genom gasdiffusionsskiktet (kolpapper i figuren), där oxidations- och reduktionsreaktioner äger rum under katalysatorns verkan.
Anod:H2 → 2H+ + 2e-
Katod: ½O2 + 2H+ + 2e- →H2O
Batteriets totala reaktion: H2 + ½ O2 → H2O
Vid anoden reagerar vätgasen elektrokemiskt och bildar vätejoner och elektroner. Vätejonerna leds sedan till katoden genom ett protonbytesmembran (protonbytesmembranets unika egenskaper gör att endast vätejoner kan passera) och elektronerna når katoden genom en extern krets, där vätejoner, elektroner och syre reagerar och bildar vatten. Det genererade vattnet släpps ut från katodutloppet som vattenånga eller kondensat tillsammans med överskott av syre.
Gasdiffusionsskikt (GDL)
Gasdiffusionsskiktet (GDL) är placerat i båda ändarna av membranelektroden, som är en av de viktigaste komponenterna i bränslecellen; dess roll inkluderar att stödja protonutbytesmembranet, belägga katalysatorn, ansluta membranelektroden till den bipolära plattan etc.
GDL-materialet måste ha följande punkter när det gäller prestanda:
- Eftersom GDL ligger mellan den bipolära plattan och katalysatorskiktet är den elektrokemiska reaktionen (dvs. strömtätheten) mycket hög - det finns en hög grad av galvanisk korrosion - så GDL-materialet måste ha korrosionsbeständighet.
- GDL-materialet - eftersom väte / syre eller metanol / luftdiffusion till katalysatorskiktets reaktion medium - måste vara ett poröst, andningsbart material.
- GDL-materialet spelar rollen som strömledare och måste vara ett mycket ledande material.
- Batterireaktionen är ExotermEn provövergång eller en reaktion är exoterm om värme genereras.exoterm; GDL-materialet måste vara ett material med hög Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga; värmeavledning måste ske i rätt tid för att undvika lokal överhettning orsakad av att protonbytarmembranet går sönder.
- GDL-materialet bör ha hög hydrofobicitet för att undvika skador på katalysatorskiktet orsakade av det vatten som genereras av batterireaktionen
Kolfiberpapper
Kolfiberpapper (kallat kolfiberpapper) tillverkas av kortklippta kolfibrer som råmaterial; detta har en fiberporös struktur i mikroskopisk, vilket kan skapa effektiva kanaler för gas- och vattenledning. Samtidigt har kolpapper fördelarna med låg vikt, en plan yta, korrosionsbeständighet och enhetlig porositet. Dessutom kan den höga styrkan hos kolpapper ge skydd för installation och användning av PEMFC-batterier, stabilisera elektrodstrukturen och förbättra batteriets livslängd. Tillverkningsprocessen för kolpapper är mogen, med stabil prestanda; därför har kolpapper blivit det vanliga valet för gasdiffusionsskiktmaterial i membranelektroden. Membranelektroden med kolpapper som gasdiffusionsskikt visas i figur 1. På grund av fiberorienteringsarrangemang i beredningsprocessen för kolpapper har kolpapperet i sig olika anisotropier.
Med tanke på att värmeledningsförmågan är ett av de viktigaste indexen för GDL-material, utfördes i detta arbete värmeledningsförmågetester på ett kolpappersprov med hjälp av NETZSCH LFA HyperFlash®®. I detta test användes LFA 467 för att testa den termiska diffusiviteten hos kolpappersprovet i horisontella respektive vertikala riktningar, och DSC användes för att testa den specifika värmekapaciteten hos kolpappersprovet. Provets Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga erhölls genom att multiplicera den termiska diffusiviteten, den specifika värmekapaciteten och provets TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet (vid rumstemperatur).
Tillämpningar
Tabell 1 visar resultaten av värmekonduktivitetstestet i horisontell riktning för detta kolpappersprov (figur 2). Det stöd som används för detta test är en provhållare i planet (figur 3), som kan användas för att testa den termiska diffusiviteten hos tunnfilmsmaterial med hög Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga i horisontell riktning. Man kan se att provets värmediffusivitet i horisontell riktning vid 25°C och 100°C är 58,610 mm2/s respektive 50,122 mm2/s och att värmeledningsförmågan är 20,568 W/(m*K) respektive 21,794 W/(m*K).
Figur 4 visar den testade temperaturökningskurvan, och man kan se att testkurvorna (råsignal - blå) och den anpassade kurvan (modellutvärdering - röd) överensstämmer mycket väl.
Tabell 2 visar resultaten av värmeledningstestet för detta kolpappersprov i vertikal riktning.
Stödet som användes för detta test var en provhållare av folie (figur 5) som kan användas för att testa den termiska diffusiviteten hos tunnfilmsprover i vertikal riktning. Av resultaten framgår att den termiska diffusiviteten i provets vertikala riktning är 7,463 mm2/s och 6,408 mm2/s vid 25°C respektive 100°C och att värmeledningsförmågan är 2,619 W/(m*K) respektive 2,786 W/(m*K). Provernas Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga i horisontell riktning är betydligt högre än i vertikal riktning, med uppenbar individuell anisotropi. Eftersom provet har en porös fiberstruktur finns det en viss grad av ljusöverföring vid testning i vertikal riktning.
Sammanfattning
I bränsleceller med protonbytarmembran är gasdiffusionsskiktet en viktig komponent i membranelektroden och kostnaden för detta utgör vanligtvis 20-25% av kostnaden för membranelektroden.
En branschanalys förutspår att marknadsstorleken för globala gasdiffusionsskiktsmaterial kommer att uppgå till 3,34 miljarder USD år 2024. Kolpapper, som är det föredragna materialet för gasdiffusionsskiktet, har en mycket lovande framtid för industriutvecklingen i Kina. Värmeledningsförmågan är en av de viktigaste indikatorerna för kolpapper. Med NETZSCH Flash Thermal Conductivity Analyzer LFA 467 och dess hållare i planet och hållare för folieprover kan värmeledningsförmågan hos kolpappersprover i horisontell och vertikal riktning testas på ett noggrant och bekvämt sätt.