수소 연료 전지를위한 가스 확산층의 유형 및 제조 방법

A 연료 전지연료의 화학 에너지를 전기 화학 발전기라고도하는 전기 에너지로 직접 변환하는 화학 장치입니다. 수력 발전, 열 전력 및 원자력 후 네 번째 발전 기술입니다.

때문에연료 전지전기 화학 반응을 통해 연료의 화학 에너지의 깁스 자유 에너지 부분을 전기 화학적 반응을 통해 전기 에너지로 변환합니다. 카르노 사이클 효과에 의해 제한되지 않으므로 매우 효율적입니다. 또한, 연료 전지는 연료와 산소를 원료로 사용합니다. 동시에 기계적 전송 부품이 없으므로 소음 공해가없고 유해한 가스가 거의 없다.

에너지 절약과 생태 환경 보호의 관점에서 볼 때연료 전지유망한 발전 기술입니다.

1 :연료 전지 GDL기능 및 요구 사항

1 : 연료 전지 GDL 기능

GDL연료 전지의 중요한 성분 중 하나입니다. 주요 기능은 다음과 같습니다.

  ▪ 촉매 담당자

  ▪ 모터 구조를 지원합니다

  ▪ 전도도

  ▪ 가스의 균일 한 확산의 역할

  ▪ 확산층 수송

2 :연료 전지 GDL요구 사항

  ▪ 균일 한 다공성 구조, 좋은 통기성

  ▪ 저항력이 낮고 강한 전자 전도도

  ▪ 구조는 작고 표면이 평평하여 접촉 저항을 줄이고 전도성 성능을 향상시킵니다.

  ▪ 전극의 생산에 도움이되며 장기 작동 조건 하에서 전극 구조의 안정성을 제공하는 특정 기계적 강도, 적절한 강성 및 유연성이 있습니다.

  ▪ 과도한 수분이 모공을 차단하고 가스 투과성이 감소하는 것을 방지하기 위해 적절한 친수성/소수성 균형

  ▪ 화학적 안정성이 우수하고 열 안정성이 우수합니다.

3 :연료 전지GDL기능

가스 확산 층에 대한 상기 요구 사항에 기초하여, 수년간의 연구 개발 후, 현재 연료 전지에 성숙하게 사용되는 가스 확산 층 재료는 탄소 재료이다.

  ▪ 탄소 재료의 장점 : 전기성이 높고 전기 부식에 대한 강한 저항력이 있으며 저렴한 비용이 있으며 이는 다른 재료의 장점입니다.

  ▪ 탄소 재료의 단점 : 탄소 재료는 본질적으로 부서지기 쉬우 며, 이는 성형 및 가공에 도움이되지 않으며 미세 구조를 제어하기가 어렵습니다.

따라서, 우수한 성능으로 가스 확산층을 준비하기 위해 탄소 재료의 사용을 연구하는 것이 연구의 초점이되었습니다.

GDL재료의 유형 및 준비 방법 - 탄소 종이

탄소 종이는 무게가 가볍고 평평한 표면을 가지며 부식성이 있으며 균일 한 모공이 있으며 강도가 높습니다. 두께는 사용 요구 사항에 따라 조정될 수 있으므로 내구성이 높은 연료 전지에 적합합니다.

탄소 종이를 준비 할 때, 원료 준비, 펄프 핑, 함침 및 경화 단계 외에도 탄소화 및 흑연화가 필요합니다.

GDL재료의 유형 및 준비 방법 - 탄소 섬유 직물 천

탄소 섬유 직물 천은 탄소 종이의 브리티 니스 문제를 해결합니다. 그러나, 탄소 섬유 직물 천은 평면 방향으로 쉽게 확장되고 수축되어 큰 변형을 초래하여 전극 제조에 어려움이 있습니다.

탄소 섬유 브레이드의 표면 평탄도는 열악하고 촉매가 고르지 않게 부착되어 연료 전지의 안정성에 영향을 미칩니다.

GDL재료의 유형 및 준비 방법 - 비직 직물

부직포의 특성은 날실과 씨실 스레드가 없으며 체중이 가볍다는 것입니다. 다공성은 필요에 따라 원료 단계로부터 제어 될 수있다.

그러나 그 과정은 또한 복잡하고, 강도와 내구성이 좋지 않으며, 직각으로 갈라지기 쉽기 때문에 연료 전지의 내구성 요구 사항을 충족시키기가 어렵습니다.

GDL재료의 유형 및 준비 방법 - 카본 블랙 페이퍼

카본 블랙 페이퍼는 탄소 분말 및 바인더를 골고루 분산시킨 후 뜨거운 프레스 성형 공정에 의해 제조 된 평평한 확산 층 재료입니다. 탄소 분말은 일반적으로 활성화 된 탄소, 탄소 검은 색, 아세틸렌 검은 색, 흑연 분말 또는 혼합물입니다. 바인더는 폴리 비닐 리덴 불소 또는 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 등입니다.

Carbon Black Paper는 취성 물질이기 때문에 이상적인 GDL 재료가되기가 어렵습니다.

3 : 특성화 및 테스트GDL속성

GDL에서, 반응 가스의 전달, 반응 생성물의 전달 및 전자의 전달은 주로 수행된다. 따라서 GDL의 특성을 검토하면 주로이 세 가지 측면의 전달 기능이 검사됩니다. 현재, 유체 수송 특성, 전도도, 기공 구조 및 GDL의 친수성 및 소수성 특성을 포함하여 GDL의 특성을 특성화하기 위해 일부 물리적 수단이 확립되었다.

1 : 유체 전송 특성

GDL의 유체는 주로 반응 가스, 수증기 및 액체 물입니다. 확산층에서의 주요 가스 전달 모드는 확산이며, 여기에는 부분 대류 질량 전달이 포함됩니다. 액체 투과성은 액체의 유동 저항을 특성화하는 데 사용될 수 있습니다. 다공성 GDL 표면에 특정 액체를 놓고 특정 압력을 가하여 액체가 GDL을 통해 흐르도록합니다. 유속과 압력 강하 사이의 관계는 GDL에서 액체의 유량 저항을 특성화하는 데 사용될 수 있습니다. 배달 능력.

2 : 기공 구조

다공성, 기공 분포 및 기공 부피는 확산 층의 기공 구조의 중요한 파라미터입니다. 일반적으로 사용되는 기공 구조 측정 기기에는 수은 포로시 미터 및 모세관 흐름 포로시 미터가 포함됩니다.

전자는 수은을 습윤 유체로 사용하고 수은을 샘플의 기공으로 눌러 테스트 할 일정 압력을 적용합니다. 후자는 매체로 표면 에너지가 낮은 실리콘 수지를 사용하여 모세관 힘의 작용하에 테스트 할 샘플을 뿌린 다음 기공 밖으로 흘러 흘러 눌러 눌러 둡니다.

그러나, 가스 확산 층의 비 연결된 기공은 재료 전송에 대해 무의미하고, 수은 침입 방법 또는 모세관 흐름 포로 시터, 파손 된 구멍 및 죽은 구멍이 포함되어 있기 때문에 배터리가 작동 할 때 확산 층의 실제 재료 전송 채널을 반영 할 수 없다.

3 : 친수성/소수성 특성

GDL의 액체 습윤성, 즉 친수성 및 소수성 특성은 또한 연료 전지 성능에 영향을 미치는 중요한 요인 중 하나입니다. 친수성/소수성 구멍의 적절한 비율은 질량 전달을 개선하고 궁극적 인 전류 밀도를 증가시키는 데 유리합니다. GDL의 친수성/소수성 특성을 특성화하는 두 가지 방법이 있습니다.

첫 번째는 담그는 방법으로, 친수성 기공과 소수성 구멍의 기공 부피를 직접 특성화한다. 두 번째는 친수성/소수성 특성을 간접적으로 특성화하는 접촉각 측정 방법입니다.

함침 방법은 총 기공 부피를 사용하여 친수성 기공 부피를 사용하여 소수성 기공 부피를 얻습니다. 이 방법은 측정 정확도가 낮고 실험 오류가 크게 높습니다. 접촉각의 크기는 가스 확산 층의 표면 특성 만 반영됩니다. 확산 층의 표면은 비교적 소수성이지만, 내부 소수성 제의 분포가 반드시 균일 할 필요는 없기 때문에, 확산 층의 친화력은 접촉각을 측정함으로써 판단 될 수있다. 물 속성은 부정확합니다.

4 : 전도도

확산 층의 전도도는 일반적으로 측정 방향에 따라 두 가지 측정 방법을 갖는다.

경유면 방향, 즉 GDL의 두께 방향에 대해, 압력 하에서 접촉 저항을 측정하는 방법은 일반적으로 사용되는 반면, 평면 내 방향의 저항은 종종 사용됩니다.

일반적으로, 평면 경계 방향의 저항은 평면 내 방향의 저항보다 1 배 더 큽니다. 이는 탄소 종이 제조 공정 동안 섬유의 배열 방향으로 인한 탄소 종이의 이방성으로 인한 것입니다.