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质子交换膜燃料电池气体扩散层

时间:2020-01-13 13:23来源:中国电池联盟 作者:苏客
点击: 次

 
要实现我国燃料电池技术规模化生产，就需要解决燃料电池核心材料——气体扩散层问题。
 
目前我国主要依靠进口解决气体扩散层问题，气体扩散层总体来说，也是我国在燃料电池技术发展上，一个卡脖子的技术。
 
王海江指出，南方科技大学氢能与燃料电池研究团队在过去两年多里，优化了燃料电池气体扩散层结构，开发了气体扩散层生产工艺，实现了气体扩散层小批量生产。
 
从燃料电池单电池结构来看，燃料电池电堆是由多个单电池串联组成，燃料电池单电池有一个七层结构，中间是质子交换膜，质子交换膜两侧是催化层，催化层两侧是两片气体扩散层，加上双极板就构成了燃料电池单电池结构。
 
此外，燃料电池单电池需要两片气体扩散层，虽然目前市场上气体扩散层的价格比质子交换膜要便宜，但用量比较大，需要两片，所以对燃料电池的价格有非常大的影响。
 
美国能源部按照现有的燃料电池技术做了一些计算，在小批量的时候，基本上价格占到21%，比质子交换膜还要贵一些。
 
随着量的增加，气体扩散层的价格占比会减少一些，但即使到批量化生产，也会占有一定的比例。当规模达到50万辆的时候，还会有6%的价格比例，所以气体扩散层对燃料电池的价格有非常大的影响。
 
王海江表示，气体扩散层可以影响燃料电池的传质、传热以及欧姆电阻，因为其对水管理有非常大的作用，因此间接的影响了燃料电池里面的动力学。
 
此外，又因为气体扩散层影响燃料电池的性能，所以间接影响到燃料电池的成本，尤其是现在燃料电池技术发展是朝着高电流操作、方向发展的，高电流操作的时候，传质就非常重要。
 
那么，如何能有一个好的气体扩散层材料呢？
 
王海江指出，首先要分析气体扩散层在燃料电池里面所起的作用。首先，第一个作用是传质的作用，气体扩散层要把气体均匀的扩散到催化剂上进行反应，同时要把产物能够带出来，这是气体扩散层的第一个作用。
 
同时，燃料电池里面反应产生的热量也要通过气体扩散层带出去。另外所产生的电流也要通过气体扩散层导到外面的电路，传质、传热、导电是气体扩散层在燃料电池里面主要的功能。
 
此外，气体扩散层需要有一定的机械强度来支撑膜电极，比如，膜电极是CCM机械强度不够，需要有一个支撑，这个是气体扩散层四个功能。因为有这样一个功能的要求，所以对气体扩散层的材料选择也是有一定的要求。
 
首先，气体扩散层必须是多孔的介质，需要良好的导热性，有良好的导电性，同时有一定的机械强度。
 
另外，因为气体扩散层在燃料电池里面工作，所以它需要有良好的化学稳定性。正因为有这样一个要求，所以气体扩散层的选择并不是很多。早期的时候有些人用金属网或者金属泡沫来做气体扩散层，因为它的化学稳定性不高，所以后来基本上气体扩散层材料的选择只有两种，要么就是碳布，要么是碳纸，碳布的机械强度不是特别高，所以后来基本上所有的公司都是用碳纸作为气体扩散层。
 
质子交换膜燃料电池气体扩散层材料的结构对气体扩散层的性能有非常大的影响。如何去解决气体扩散层结构的问题？
 
王海江表示，南方科技大学氢能与燃料电池研究团队用模拟方法优化了气体扩散层的结构，用一些现有的气体扩散层，用CT扫描的方法，得到气体扩散层的结构，再把气体扩散层的结构放在计算机里面进行两相模拟，来优化这个气体扩散层的结构。有了模拟以后，还用试验测量了气体扩散层的一些性能。
 
气体扩散层最主要的是气体要从其里面走，气体在多孔介质里面的扩散系数是决定在燃料电池里面性能的关键指标。
 
王海江指出，南方科技大学氢能与燃料电池研究团队用了一个做扩散系数的测量，有两个腔体，一个腔体里面放上氮气，一个腔体里面放上氧气，中间有一个球阀，等球阀打开的时候，氧气就会通过样品走到另外一个腔体里面，模拟另外一个腔体里面氧气的浓度，就可以计算出来氧气在多孔介质里面的扩散系数。有了扩散系数的测量，测量不同结构的样品，就能优化气体扩散层结构的性能。
 
此外，南方科技大学氢能与燃料电池研究团队还做了一个气体扩散层里面水管理的研究，用一个类似于单电池的测试，但是这个单电池里面没有放正常的MEA，而是放了气体扩散层的样品和一个质子交换膜，阳极一侧是水在里面流动，膜永远是完全润湿的，阴极一侧按照不同的空气流量，在不同的空气流量下面测量水从里面走出来的速度，这样就得到了水穿过气体扩散层的速度与空气流量之间的关系。
 
王海江表示，因为水流过气体扩散层的速度特别大，所以就造成了燃料电池里面膜容易干的这种现象。在虚线的下侧，水走的速度比较小，这样的情况造成水淹的情况，有了这样一个测量以后，就可以计算出来什么样的气体扩散层在燃料电池里面的水管理是最为有效的。（文章来自南方科技大学教授、加拿大工程院院士王海江在中国电动汽车百人会上的演讲速记整理，未经本人审阅）
 
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