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質子交換膜燃料電池氣體擴散層
時間:2020-01-13 13:23來源:中國電池聯盟 作者:蘇客
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目前我國主要依靠進口解決氣體擴散層問題，氣體擴散層總體來說，也是我國在燃料電池技術發展上，一個卡脖子的技術。
王海江指出，南方科技大學氫能與燃料電池研究團隊在過去兩年多里，優化了燃料電池氣體擴散層結構，開發了氣體擴散層生產工藝，實現了氣體擴散層小批量生產。
從燃料電池單電池結構來看，燃料電池電堆是由多個單電池串聯組成，燃料電池單電池有一個七層結構，中間是質子交換膜，質子交換膜兩側是催化層，催化層兩側是兩片氣體擴散層，加上雙極板就構成了燃料電池單電池結構。
此外，燃料電池單電池需要兩片氣體擴散層，雖然目前市場上氣體擴散層的價格比質子交換膜要便宜，但用量比較大，需要兩片，所以對燃料電池的價格有非常大的影響。
美國能源部按照現有的燃料電池技術做了一些計算，在小批量的時候，基本上價格占到21%，比質子交換膜還要貴一些。
隨著量的增加，氣體擴散層的價格占比會減少一些，但即使到批量化生產，也會占有一定的比例。當規模達到50萬輛的時候，還會有6%的價格比例，所以氣體擴散層對燃料電池的價格有非常大的影響。
王海江表示，氣體擴散層可以影響燃料電池的傳質、傳熱以及歐姆電阻，因為其對水管理有非常大的作用，因此間接的影響了燃料電池里面的動力學。
此外，又因為氣體擴散層影響燃料電池的性能，所以間接影響到燃料電池的成本，尤其是現在燃料電池技術發展是朝著高電流操作、方向發展的，高電流操作的時候，傳質就非常重要。
那么，如何能有一個好的氣體擴散層材料呢？
王海江指出，首先要分析氣體擴散層在燃料電池里面所起的作用。首先，第一個作用是傳質的作用，氣體擴散層要把氣體均勻的擴散到催化劑上進行反應，同時要把產物能夠帶出來，這是氣體擴散層的第一個作用。
同時，燃料電池里面反應產生的熱量也要通過氣體擴散層帶出去。另外所產生的電流也要通過氣體擴散層導到外面的電路，傳質、傳熱、導電是氣體擴散層在燃料電池里面主要的功能。
此外，氣體擴散層需要有一定的機械強度來支撐膜電極，比如，膜電極是CCM機械強度不夠，需要有一個支撐，這個是氣體擴散層四個功能。因為有這樣一個功能的要求，所以對氣體擴散層的材料選擇也是有一定的要求。
首先，氣體擴散層必須是多孔的介質，需要良好的導熱性，有良好的導電性，同時有一定的機械強度。
另外，因為氣體擴散層在燃料電池里面工作，所以它需要有良好的化學穩定性。正因為有這樣一個要求，所以氣體擴散層的選擇并不是很多。早期的時候有些人用金屬網或者金屬泡沫來做氣體擴散層，因為它的化學穩定性不高，所以后來基本上氣體擴散層材料的選擇只有兩種，要么就是碳布，要么是碳紙，碳布的機械強度不是特別高，所以后來基本上所有的公司都是用碳紙作為氣體擴散層。
質子交換膜燃料電池氣體擴散層材料的結構對氣體擴散層的性能有非常大的影響。如何去解決氣體擴散層結構的問題？
王海江表示，南方科技大學氫能與燃料電池研究團隊用模擬方法優化了氣體擴散層的結構，用一些現有的氣體擴散層，用CT掃描的方法，得到氣體擴散層的結構，再把氣體擴散層的結構放在計算機里面進行兩相模擬，來優化這個氣體擴散層的結構。有了模擬以后，還用試驗測量了氣體擴散層的一些性能。
氣體擴散層最主要的是氣體要從其里面走，氣體在多孔介質里面的擴散系數是決定在燃料電池里面性能的關鍵指標。
王海江指出，南方科技大學氫能與燃料電池研究團隊用了一個做擴散系數的測量，有兩個腔體，一個腔體里面放上氮氣，一個腔體里面放上氧氣，中間有一個球閥，等球閥打開的時候，氧氣就會通過樣品走到另外一個腔體里面，模擬另外一個腔體里面氧氣的濃度，就可以計算出來氧氣在多孔介質里面的擴散系數。有了擴散系數的測量，測量不同結構的樣品，就能優化氣體擴散層結構的性能。
此外，南方科技大學氫能與燃料電池研究團隊還做了一個氣體擴散層里面水管理的研究，用一個類似于單電池的測試，但是這個單電池里面沒有放正常的MEA，而是放了氣體擴散層的樣品和一個質子交換膜，陽極一側是水在里面流動，膜永遠是完全潤濕的，陰極一側按照不同的空氣流量，在不同的空氣流量下面測量水從里面走出來的速度，這樣就得到了水穿過氣體擴散層的速度與空氣流量之間的關系。
王海江表示，因為水流過氣體擴散層的速度特別大，所以就造成了燃料電池里面膜容易干的這種現象。在虛線的下側，水走的速度比較小，這樣的情況造成水淹的情況，有了這樣一個測量以后，就可以計算出來什么樣的氣體擴散層在燃料電池里面的水管理是最為有效的。（文章來自南方科技大學教授、加拿大工程院院士王海江在中國電動汽車百人會上的演講速記整理，未經本人審閱）
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