Estimation of the through-plane thermal conductivity of polymeric ion-exchange membranes using finite element technique

Abstract

El objetivo de este estudio es calcular la conductividad térmica a través del plano de membranas de intercambio iónico poliméricas comerciales. Se consideraron diferentes membranas para estudiar la influencia de las propiedades de la membrana en los valores de conductividad térmica. En particular, nos centramos en el refuerzo, la capacidad de intercambio iónico y la densidad y el grosor de la membrana. Para este propósito, utilizamos una configuración experimental simple y una simulación numérica para estimar la conductividad térmica a partir de los perfiles de temperatura experimentales. Una vez calibrado el sistema, el modelo incluye como único parámetro desconocido la conductividad térmica de la membrana. Para validar el método, se determinó la conductividad térmica de las conocidas membranas Nafion, se logró una muy buena concordancia en el contexto a partir de valores confiables de la literatura. El estudio también proporciona la conductividad térmica de otras membranas poliméricas de intercambio iónico con gran potencial en diversas aplicaciones en condiciones no isotérmicas. Los resultados muestran que el refuerzo conduce a valores más bajos de conductividad térmica mientras que una densidad más alta o una estructura heterogénea conduce a valores de conductividad térmica más altos. El enfoque que se presenta aquí, que combina técnicas experimentales y de simulación, puede proporcionar una base para confirmar el efecto de las propiedades de la membrana de intercambio iónico polimérico sobre la conductividad térmica y puede arrojar luz sobre la mejor opción para el electrolito de las aplicaciones basadas en membranas bajo condiciones no-isotermas.

The aim of this study is to calculate the through-plane thermal conductivity of commercial polymeric ion-exchange membranes. Different membranes were considered to study the influence of membrane properties on the thermal conductivity values. In particular we focused on reinforcement, ion exchange capacity and membrane density and thickness. For this purpose, we use a simple experimental setup and a numerical simulation to estimate the thermal conductivity from the experimental temperature profiles. Once the system is calibrated, the model includes as the only unknown parameter the membrane thermal conductivity. To validate the method, the thermal conductivity of the well-known Nafion membranes has been determined, a very good agreement was achieved in context from reliable literature values. The study also provides the thermal conductivity of other polymeric ion-exchange membranes with great potential in diverse applications under non-isothermal conditions. The calculated thermal conductivity for the different ion-exchange membranes is in the range from 0.04 Wm−1K−1 to 0.42 Wm−1K−1. The results show that the reinforcement leads to lower values of thermal conductivity whereas a higher density or heterogenous structure leads to higher thermal conductivity values. The approach presented here, combining experimental and simulation techniques, may provide a basis for confirming the effect of the polymeric ion-exchange membrane properties on the thermal conductivity and may shed light on the best choice for the electrolyte of membrane-based applications performance under non-isothermal conditions.