Промышленное производство газодиффузионных подложек на основе углерод-углеродных композитов
В настоящее время в США и странах Юго-Восточной Азии хорошо развито производство ГДП на основе углерод-углеродных композитов. Обладая многолетним опытом в области производства углеродных материалов, фирмы-производители, такие как TorayIndustries, Inc. (сокращенно Toray), BallardPowerSystemsInc. (сокращенно Ballard), подразделение фирмы EngineeredFibersTechnology – Spectracorp, надежно зарекомендовали себя в качестве поставщиков компонентов для производства топливных элементовна мировом рынке.
Компания Toray является крупнейшим в мире производителем изделий из углерода, имеет собственное производство углеродных нитей, углеродных тканей и пористых токопроводящих электродов в виде углерод-углеродных композитов.
Бумаги TorayTGP-H обладают высокой электропроводностью, газопроницаемостью, механической прочностью, характеризуются малой электрохимической коррозией, хорошо поддаются механической обработке (таблице 10). В настоящее продукция фирмы Toray фактически стала эталоном ГДП, с которым сравнивают свойства разрабатываемых или промышленно выпускаемых ГДП производители газодиффузионных подложек.
Таблица 8. Основные параметры ГДП марки TGP-H
| Свойства | TGP-H-030 | TGP-H-060 | TGP-H-090 | TGP-H-120 |
| Толщина, мм | 0,11 | 0,19 | 0,28 | 0,37 |
| Объемная плотность, г/см3 | 0,40 | 0,44 | 0,44 | 0,45 |
| Пористость, % | 80 | 78 | 78 | 78 |
| Газопроницаемость, мл ∙ мм/(см2 ∙ ч ∙ мм водяного столба) | 2500 | 1900 | 1700 | 1500 |
| Удельное электрическое сопротивление в плоскости, мОм ∙ см | - | 5,8 | 5,6 | 4,7 |
| Прочность на изгиб, МПа | 40 | 40 | 40 | 40 |
| Модуль при изгибе, ГПа | 8 | 10 | 10 | 10 |
| Прочность на разрыв, H/см | - | 50 | 70 | 90 |
|
|
|
Компания Ballard снабжает индустрию ТЭ более 10 лет. Все виды ГДП производятся с использованием процесса AccuCarb®, превращающего материал на основе полиакрилонитрильного волокна в высокочистые, высокооднородные графитированные субстраты для ГДП – базовые ГДП.
Фирма Spectracarb обладает более чем тридцатилетним опытом в области технологий углеродных волокон, связующих и выпуска изделий на их основе, и имеет как лабораторное, так и крупномасштабное производство.
Пористые углерод-углеродные композиты со структурой бумаги серий Spectracarb 2050 используются для многочисленных целей, включая ГДП, макропористые газораспределительные пластины и электроды электрических батарей: 2050-А – стандартный материал; 2050-L – гибкий материал, пригодный для непрерывного производства; 2050-HF – материал с высокой газопроницаемостью, позволяющий эффективно отводить пары воды.
Фирма выпускает ГДП любого размера до 1 м х 1 м и любой толщины от 0,12 мм до 4,0 мм.
|
|
|
Еще одной маркой электропроводящей, химически стойкой, пористой углеволокнистой бумаги является Spectracarb 1007 (серия 1000). Длина волокон и содержание связующего были оптимизированы под технологию изготовления и конечное применение. Бумага совместима с эпоксидными, фенольными и полиэфирными системами смол.
Интересным углеродным материалом, обладающим комбинацией высоких технических характеристик является терморасширенный графит(ТРГ). ТРГ представляет собой пористые чешуйки или хлопья размером 3–5 мм. Материал поддается прессованию, обладает высокой электропроводностью и низкой стоимостью, что делает его перспективным материалом для получения ГДП.
Так терморасширенный графит нашел применение в изготовлении ГДП с высокими эксплуатационными свойствами. Одной из лидирующих компаний, разработавших технологию получения ГДП из ТРГ, является GrafTechInternationalLtd. (сокращенно GrafTech). Компания выпускает ГДП в виде непрерывного перфорированного листа [18].
Сравнительные характеристики ГДП ведущих мировых производителей представлены в таблице 11.
Таблица 9 - Сравнительные характеристики ГДП ведущих мировых производителей
|
|
|
| Характеристика материала | Компании | |||
| E-TEK | SGL | Ballard | Toray | |
| нетканый материал | нетканый материал | нетканый материал | бумага | |
| Толщина, мм | 0,19 | 0,19 – 0,42 | 0,11 – 0,24 | 0,19 |
| Поверхностная плотность, г/м2 | 75 | 40 – 140 | 60 – 80 | 85 |
| Удельное сопротивление, Ом·см | 0,009 | 0,010 | – | 0,0055 |
| Воздухопроницаемость, см3/см2 | 20 | 0,5 – 40 | 42 | 8 |
Продолжение табл. 9
| Пористость % | 75 – 85 | 76 – 88 | 70 – 85 | 72 – 85 |
| Радиус пор, мкм | 15 – 20 | 12 – 18 | – | 10 – 15 |
Таким образом, использование в качестве прекурсора углерод-углеродных композитов позволяет получать однородные, прочные, гибкие, химостойкие ГДП с высокой электропроводностью.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В данной работе были изучены способы получения УУКМ из ПАН и ГЦ. Были проанализированы основе имеющейся литературы наиболее перспективные области применения УУКМ. Одним из перспективных направлений применений УУКМ является изготовление конструкций теплозащиты, преимущественно работающих в инертной среде при температурах 600оС-2000оС и выше. Отмечено, что в настоящее время одним из перспективных и быстро развивающихся направлений является изготовление ГДП для ТЭ с полимерными протонобменными мембранами (ППМ). Такие ГДП создаются на основе УУКМ с высокой пористостью и электропроводностью.
|
|
|
Проанализированы конструктивные и технологические особенности изготовления УУКМ ТЭ с ППМ ведущими мировыми производителями.
Список использованных источников
1.Армирующие химические волокна для композиционных материалов / Г. И. Кудрявцев и др. - М.: Химия, 1992. – 336 с.
2.Конкин, А. А. Термо-, жаростойкие и негорючие волокна/ А. А. Конкин. М.: Химия, 1978. – 422 с.
1. Dyer, Chris K. Encyclopedia of Electrochemical Power Sources / Chris K. Dyer, Patrick T. Moseley, Zempachi Ogumi [at al.]. – Amsterdam: Elsevier, 2013. – 3000 p.
2. Sorensen, B. Hydrogen and Fuel Cells: Emerging Technologies and Applications / Bent Sorensen. – USA: Academic Press, 2012. – 492 p.
3. Пат. US3616326, США, МПК C01F17/00; C22B59/00. Separation of rare earths by electrolysis with porous carbon electrodes / Edward Onstott, заявитель и патентообладатель Edward Onstott. – USD3616326; заявл. 22.10.1969, опубл. 26.10.1971.
4. Farmer, J.C. The use of carbon aerogel electrodes for environmental cleanup / J.C. Farmer, D.V. Fix, R.W. Pekala [at al.] // Preprints of papers - American chemical society division fuel chemistry. – 1996. – Vol. 41. – Issue 1. – P. 484 – 487.
5. Kinoshita, K. Carbon: Electrochemical and Physicochemical Properties / Kim Kinoshita. – USA: Wiley, 1988. – 533 p.
6. Haddad, R. Carbon cloth/carbon nanotube electrodes for biofuel cells development / R. Haddad, W. Xia, D. A. Guschin [et al.] // Electroanalysis. – 2013. – Vol. 25. – Issue 1. – P. 59 – 67.
7. Zhang, K. Functional porous carbon-based composite electrode materials for lithium secondary batteries / Kai Zhang, Zhe Hu, Jun Chen // Journal of Energy Chemistry. – 2013. – Vol. 22. – Issue 2. – P. 214 – 225.
8. Лысенко, А.А. Электропроводящие углеродные волокнистые сорбенты / А.А. Лысенко, О.В. Асташкина, В.А. Лысенко [и др.] // Химические волокна. – 2008. – № 4. – С. 38 – 41.
9. Yang, Shin-Yi. Design and tailoring of a hierarchical graphene-carbon nanotube architecture for supercapacitors / Shin-Yi Yang, Kuo-Hsin Chang, Hsi-Wen Tien [et al.] // Journal of Materials Chemistry. – 2011. – Vol. 21. – P. 2374 – 2380.
10. Hoogers, G. Fuel Cell Technology Handbook / G. Hoogers. – Boca Raton: CRC Press, 2003. – 462 p.
11. Weaver, G. World Fuel Cells: An Industry Profile with Market Prospects to 2010 / G. Weaver, R. Reidy – Elsevier Inc, 2002. – P. 5 – 47.
12. Hashem Nehrir, M. Modeling and Control of Fuel Cells: Distributed Generation Applications / M. Hashem Nehrir, Caisheng Wang. – IEEE Press, 2009. – 24 p.
13. Kumar, R. Fuel Cell Handbook (Sixth Edition) / R. Kumar, M. Farooque, B. Ernst [et al]. – EG&G Technical Services, Inc., 2002. – 451 p.
14. Javaid Naidi, S.M. Polymer Membranes for Fuel Cells / S.M. Javaid Naidi, Takeshi Matsuura. – Springer Science + Business media, 2009. – 431 p.
15. U.S. Department of Energy. Hydrogen Program. 2007 Annual Progress Report. V Fuel Cell. – Washington: US Department of Energy. – P. 278 – 279, 680 – 684, 1281.
16. Spiegel, C.PEM fuel cell modeling and simulation using matlab / C. Spiegel – Academic Press in an imprint of Elsevier, 2008. – 443 p.
17. Morgan, J. Reduction in Fabrication Costs of Gas Diffusion Layers / J. Morgan // FY2007 Annual Progress Report. DOE Hydrogen Program. – Washington: US Department of Energy. – P. 1132.
18. Starr, T. Carbon and High Performance Fibres: Directory and Databook / T. Star. – Chapman & Hall. London, 1995. – 385 p.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 568; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!