釩氧化還原液流電池中多孔性碳電極在壓縮與電鍍後之電性、機械性質與型態分析

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張君溥(ZHANG,JUN-PU) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

釩氧化還原液流電池中多孔性碳電極在壓縮與電鍍後之電性、機械性質與型態分析
(Electrical, mechanical and morphological properties of porous carbon felt and electroless plating effect used in vanadium redox flow battery)

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摘要(中)

氧化還原液流電池中，釩氧化還原液流電池（Vanadium Redox Battery, VRB），因具有在低成本與高效率的情況下存儲大量電能，近年來備受關注。VRB中的關鍵零件-多孔性碳電極，作為液體擴散層（Liquid Diffusion Layer, LDL），和質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）中的氣體擴散層（Gas Diffusion Layer, GDL）區別在於厚度，LDL厚度以毫米作為單位而GDL只有它的1/5 - 1/10。以厚的碳氈作為電極的其中一個原因是為了增強VRB內部的擴散長度，但應該要盡量降低多餘的電阻。而LDL的厚度還有著應力吸收體的作用，並保持離子交換膜與集電板的連接，確保膜電極組件(Memberane Electrode Assembly, MEA)的耐久性。而本研究的重點有兩個(1)多孔性碳氈在不同預壓量下(2)多孔性碳氈在無電解電鍍不同厚度的鎳後之電性、機械性質跟型態分析。
(1) 多孔性碳電極在不同預壓量下之電性、機械性質跟型態分析
為了解LDL對電池性能的影響，本章節是對VRB中LDL（包括三個廣泛使用的多孔性碳電極和一個金屬泡棉）進行0-40％的壓縮並觀察其電性、機械性質和型態。由我們的實驗結果可以發現，電阻的大小是由夾持力與壓縮百分比所決定。而增加應力後，有很多現象是值得研究的，如MEAs的耐久度、電阻值的下降增加導電率、孔隙率的下降引影響質傳和多孔性碳電極對流道侵入。實驗結果發現，隨著夾持力增加，多孔性碳電極會因為肋而產生變形導致孔隙減少與侵入導致流道體積減小。
(2) 多孔性碳電極在無電解電鍍不同厚度的鎳後之電性、機械性質跟型態分析
本章節採用了新的無電解電鍍鎳之多孔性碳電極，討論其鍍層厚度對電性、機械性質與形態特性的影響。實驗結果發現，無電解電鍍鎳在多孔性碳電極上是可以有效的降低電阻，並在壓縮40%的後減少一半以上的片電阻(Areal Specific Resistance, ASR)，而應力 - 應變曲線、殘餘應變和孔隙率並沒有太大的差異。鍍鎳多孔性碳電極是一種很發展潛力的VRB電極材料。

摘要(英)

Redox-flow batteries, in particular vanadium redox flow battery (VRB), are receiving intensive attention due to their ability to store large amounts of electrical energy in a relatively cheap and efficient scenario. One of the key components in VRB is carbon felt, which serves as the liquid diffusion layers (LDL) and differentiates distinctively from the gas diffusion layers (GDL) in proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) such that the thickness LDL is in mm range, whereas GDL is only 1/5 – 1/10 of it. One reason for a significantly thick carbon felt is due to the enhancement of diffusion length for the VRB while the associated resistance should be minimized. While the thickness of LDL plays the role of stress absorber and maintains the conductivity and the electrical contacts, the durability of the MEA is reasonably safeguarded. The focus of the study are the electrical, mechanical and morphological properties of (1) carbon felt in different compression percentage (2) carbon felt after electroless plating
(1) Electrical, mechanical and morphological properties of carbon felt in different compression percentage
Experiments including electrical, mechanical and morphological aspects under compression in the range of 0-40% have been carried out on four potential materials for liquid diffusion layer(LDL) of vanadium redox flow battery (VRB) (including three widely used carbon felt and one recently utilized metal foam) in order to better understand the influence of the fundamental properties on the battery performance. We experimentally demonstrate that the electrical contact resistance is predominately determined by the clamping force. It is observed that increasing the stress applied on the carbon felt, which is of high interest for the durability of the membrane electrode assembly (MEA), has moreover a positive effect on their performance due to the reduced contact resistance. However, a simultaneously reduced porosity is also recorded and possibly detrimental to the mass transport of vanadium electrolyte. Moreover, the intrusion of carbon felts under compression is also characterized. Experimental results show that with the clamping force increases, both the porosity of the carbon felts underneath the rib and channel volume decrease, and this can be mainly attributed to the deformation of the carbon felts and resultant changed of the void volume as well as intrusion.
(2) Electrical, mechanical and morphological properties of carbon felt after electroless plating
This research adopts a new Ni plating carbon felt and the effect of plating thickness on mechanical, electrical and morphological properties are also discussed. Experimental results show that the nickel coated carbon felt prepared by electroless plating was successfully applied and a drastically reduced ASR of 50% can be obtained under 40% compression, while the stress-strain curve, residual strain and porosity basically remain unchanged. The nickel coated carbon felt is a promising electrode material for VRB application.

關鍵字(中)

★ 釩氧化還原液流電池
★ 多孔性碳電極
★ 夾持力(壓縮百分比)
★ 無電解電鍍

關鍵字(英)

論文目次

Content
摘要 I
Abstract III
誌謝 V
圖目錄 VII
表目錄 XII
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 氧化還原液流電池 1
1-3 文獻回顧 1
1-4 研究動機 3
第二章多孔性碳電極在不同預壓量下之電性、機械性質跟型態分析 4
2-1導論 4
2-2實驗 4
2-2-1 實驗樣品 7
2-2-2 實驗裝置 7
2-2-3 電性與機械性質之量測 8
2-2-4 型態特性與孔隙率量測 8
2-2-5 在不同的壓縮百分比下進行原位的孔隙率觀察並使用二值化處理進行孔隙率的計算 9
2-2-6 電化學量測 9
2-3結果與討論 10
2-3-1 機械性質結果 10
2-3-2 電性-電阻 11
2-3-3 孔隙率量測儀與二值化法之比較¬-孔隙率量測儀測量孔隙率 14
2-3-4 不同壓縮百分比下之孔隙率 14
2-3-5 表面積 15
2-3-6 流道侵入情形 16
2-3-7 VRB性能測試 18
第三章多孔性碳電極在電鍍後之電性、機械性質跟型態分析 20
3-1 導論 20
3-2 多孔性碳電極與無電解電鍍 20
3-2-1 實驗裝置 21
3-2-2 樣品 22
3-3 結果與討論 24
3-3-1 機械性質 24
3-3-2 在不同壓縮百分比下之孔隙率 25
3-3-3 在不同壓縮百分比下之電性 26
第四章結論 29
4-1 多孔性碳電極在不同預壓量下之電性、機械性質跟型態分析 29
4-2 多孔性碳電極在電鍍後之電性、機械性質跟型態分析 30
參考文獻 31

圖目錄
圖2-1 (a)VRB單電池中多孔性碳電極具有顯著的厚度增加液體擴散的長度。(b)實際商用100W釩氧化還原電池之流道板出入口皆有11條流道與多孔性碳電極(其尺寸為長100mm×寬100mm×厚5mm。 6
圖2-2 (a) HM2135 (b) G01-GFZ5 (c) Hephas(100W) (d) F1-75P4的照片和光學顯微鏡（OM）的顯微照片。 7
圖2-3 (a)原位與透光方式測量各種壓縮比例下的孔隙度之實驗裝置示意圖。(b)孔隙率量測時之配置側視圖(c)片電阻量測時之配置側視圖。 8
圖2-4 Hephas (100W) 的顯微照片與二值化處理後的圖片。. 9
圖2-5 HM2135、G01-GFZ5、Hephas (100W) 和 F1-75P4之壓縮百分比與壓縮力關係圖。
10
圖2-6 HM2135、G01-GFZ5、Hephas (100W) 和 F1-75P4 在1與4 MPa下的壓縮百分比與殘餘應變。. 11
圖2-7 (a) HM2135, G01-GFZ5, Hephas (100W) and F1-75P4 之Log ASR與壓縮百分比關係圖。 (b) HM2135 (c) G01-GFZ5 (d) Hephas (100W) (e) F1-75P4 個別之Log ASR與壓縮百分比關係圖。 13
圖2-8 HM2135、G01-GFZ5、Hephas (100W) 和 F1-75P4 由侵水式孔隙率量測儀所測得之孔隙率。. 14
圖2-9 HM2135、G01-GFZ5、Hephas (100W) 和 F1-75P4之壓縮百分比與孔隙率關係圖。. 15
圖2-10 HM2135、G01-GFZ5、Hephas (100W) 和 F1-75P4 由侵水式孔隙率量測儀所測得之表面積。 16
圖2-11 (a) HM2135 (b) G01-GFZ5 (c) Hephas (100W) (d)F1-75P4 在20%的壓縮百分比(左欄)與40%的壓縮百分比(右欄)下實際侵入情形之照片。 17
圖2-12 取得樣品在壓縮後侵入流道之百分比二值化法示意圖 18
圖2-13 多孔性碳電極在不同壓百分比下的放電極化曲線。 19
圖3-1 VRB單電池組與多孔性厚碳電極，通常碳氈的厚度在3-5mm，主要是為了增加液體的擴散長度。 21
圖3-2 測量在不同壓縮百分比下的機械性質與電阻值之實驗裝置示意圖。導電銅箔膠帶用於測量電阻。 22
圖3-3 無電解電鍍鎳裝置(a)脂化槽(b)酸洗槽(c)中和槽(d)電鍍槽(e)超音波槽(f)水洗槽。
22
圖3-4 無電鍍(a)與鍍層厚度(b) 0.1 (c) 0.3 (d) 0.5 (e) 1 (f) 1.5μm之多孔性碳電極
之顯微照片(光學顯微鏡(Optical microscope,OM))。 23
圖3-5 無電鍍與電鍍後之多孔性碳電極的壓縮百分比與壓縮力關係圖。 24
圖3-6 無電鍍與電鍍後多孔性碳電極在1與4 MPa下的壓縮百分比與殘餘應變。 25
圖3-7無電鍍與電鍍後的多孔性碳電極之孔隙率。 26
圖3-8 無電鍍與電鍍後的多孔性碳電極之ASR與壓縮百分比之關係圖(a)與20%-40%之放大圖。 27

表目錄
表2-1 不同壓縮百分比下所需要的應力 12
表2-2 不同壓縮百分比下的侵入情形 18
表3-1 無電鍍與電鍍後的多孔性碳電極在不同壓縮百分比下之ASR 28

參考文獻

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指導教授

傅尹坤

審核日期

2013-7-16

推文