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應用故事 | 燃料電池氣體擴散層材料—碳紙的導熱性能測試

更新時間:2023-04-14      點擊次數:1865

質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作為一種新興的低溫燃料電池,具有效率高、工作溫度低、0排放等優點,是新型綠色能源的主要發展方向之一。

PEMFC的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly, MEA),EMA由兩層氣體擴散層(Gas Diffusion Layer,GDL)、兩層催化層和一層質子交換膜組成。


PEMFC燃料電池的的反應原理如圖1所示。PEMFC單電池由EMA(陽極、陰極和質子交換膜)和雙極板組成。陽極為氫燃料發生氧化的場所,陰極為氧化還原的場所,兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑,一般采用鉑/炭或鉑/釕為電催化劑,質子交換膜為電解質,氫或凈化重整氣為燃料,空氣或純氧為氧化劑,帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板。具有一定濕度和壓力的氫氣和氧氣分別進入陽極和陰極,經氣體擴散層(圖中為碳紙)到達催化劑層和質子交換膜的界面,分別在催化劑的作用下發生氧化和還原反應。

在陽極,氫氣發生電化學反應生成氫離子和電子,其中氫離子通過質子交換膜傳導到陰極(質子交換膜的*屬性使其只允許氫離子通過),電子通過外電路到達陰極,在陰極氫離子、電子和氧氣反應生成水。生成的水以水蒸氣或冷凝水的形式隨多余的氧氣從陰極出口排出。

圖1  燃料電池(包括膜電極和雙極板)單電池示意圖

氣體擴散層位于膜電極的兩端,是燃料電池的重要組件之一,其作用包括支撐質子交換膜、涂掛催化劑、連接膜電極與雙極板等。GDL材料在性能上需具備以下幾點:

1、 因GDL介于雙極板與觸媒層之間,電化學反應時,電流密度很高,存在高電腐蝕性,因此GDL材料必須具備抗腐蝕性;

2、 GDL材料充當氫氣/氧氣或者甲醇/空氣擴散至觸媒層反應的媒介,必須為多孔性透氣材料;

3、 GDL材料扮演電流傳導器,必須為高導電的材料;

4、 電池反應時為放熱反應,GDL材料必須為高導熱材料,及時散熱,避免因局部過熱導致的質子交換膜破損;

5、 GDL材料應具備高疏水性,避免電池反應生成的水對觸媒層造成破壞。


碳纖維紙(簡稱碳紙)由短切碳纖維為原料制造而成,在微觀上具有纖維多孔結構,可為氣體及水的傳導建立有效通道。同時,碳紙具有質量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙率均勻等優點。此外,具有高強度的碳紙可為PEMFC電池的安裝和使用帶來保障,起到穩定電極結構,提高電池的壽命。加之碳紙制造工藝成熟、性能穩定,因此,碳紙成為膜電極中氣體擴散層材料的主流選擇。碳紙作為氣體擴散層的膜電極如圖1所示。由于碳紙制備過程中存在纖維排列取向,因此碳紙本身具有各項異性。


鑒于導熱性能是GDL材料的重要指標之一,因此本文通過耐馳閃光法導熱儀LFA 467對某碳紙樣品的導熱系數進行了測試。本測試中使用LFA467分別測試碳紙樣品的水平和垂直方向的熱擴散系數,使用DSC測試碳紙樣品的比熱。通過將樣品的熱擴散系數、比熱、密度三者相乘,得到樣品的導熱系數。

圖2 碳紙樣品照片

圖3  In-Plane樣品支架

表1是該碳紙樣品(圖2)水平方向的導熱系數測試結果。該測試使用的支架為In-plane支架(圖3),可用于測試高導熱薄膜材料水平方向的熱擴散系數。可知該樣品在25oC和100oC時,水平方向的熱擴散系數分別為58.610 mm2/s、50.122 mm2/s,導熱系數分別為20.568 W/(m*K)、21.794 W/(m*K)。圖4為測試的溫升曲線,可以看出測試曲線(藍色)和擬合曲線(紅色)的擬合效果較好。

表1 碳紙樣品水平方向的導熱系數結果

圖4 碳紙樣品水平方向測試的溫升曲線

表2是該碳紙樣品垂直方向的導熱系數測試結果。該測試使用的支架為薄膜樣品支架(圖5),可用于測試薄膜樣品垂直方向的熱擴散系數。由結果可知,該樣品在25oC和100oC時,垂直方向的熱擴散系數分別為7.902 mm2/s、6.382 mm2/s,導熱系數分別為2.773 W/(m*K)、2.775 W/(m*K)。樣品水平方向的導熱系數明顯高于垂直方向,具有明顯的各項異性。因樣品為纖維多孔結構,垂直方向測試時存在一定程度的透光,因此結果計算時,采用透明模型。

表2 碳紙樣品垂直方向的導熱系數結果

圖5 專用于薄膜厚度方向導熱測量的薄膜樣品支架

在質子交換膜燃料電池中,氣體擴散層作為膜電極的重要組成部分,其成本通常占據膜電極成本的20-25%。行業分析預計到2024年,全球氣體擴散層材料市場規模將達33.4億美元。碳紙作為氣體擴散層的材料,在我國的行業發展前景十分廣闊。導熱系數是碳紙的重要指標之一。通過耐馳的閃射法導熱儀LFA467及其In-plane支架和薄膜支架,可以準確、便捷地測試碳紙樣品水平和垂直方向的導熱性能。

作者

李金艷

耐馳儀器公司應用實驗室


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