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質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層

時間:2020-01-13 13:23來源:中國電池聯(lián)盟 作者:蘇客
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要實現(xiàn)我國燃料電池技術(shù)規(guī)模化生產(chǎn)，就需要解決燃料電池核心材料——氣體擴(kuò)散層問題。
 
目前我國主要依靠進(jìn)口解決氣體擴(kuò)散層問題，氣體擴(kuò)散層總體來說，也是我國在燃料電池技術(shù)發(fā)展上，一個卡脖子的技術(shù)。
 
王海江指出，南方科技大學(xué)氫能與燃料電池研究團(tuán)隊在過去兩年多里，優(yōu)化了燃料電池氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，開發(fā)了氣體擴(kuò)散層生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了氣體擴(kuò)散層小批量生產(chǎn)。
 
從燃料電池單電池結(jié)構(gòu)來看，燃料電池電堆是由多個單電池串聯(lián)組成，燃料電池單電池有一個七層結(jié)構(gòu)，中間是質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜兩側(cè)是催化層，催化層兩側(cè)是兩片氣體擴(kuò)散層，加上雙極板就構(gòu)成了燃料電池單電池結(jié)構(gòu)。
 
此外，燃料電池單電池需要兩片氣體擴(kuò)散層，雖然目前市場上氣體擴(kuò)散層的價格比質(zhì)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(xiàn)有的燃料電池技術(shù)做了一些計算，在小批量的時候，基本上價格占到21%，比質(zhì)子交換膜還要貴一些。
 
隨著量的增加，氣體擴(kuò)散層的價格占比會減少一些，但即使到批量化生產(chǎn)，也會占有一定的比例。當(dāng)規(guī)模達(dá)到50萬輛的時候，還會有6%的價格比例，所以氣體擴(kuò)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(kuò)散層可以影響燃料電池的傳質(zhì)、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(xué)。
 
此外，又因為氣體擴(kuò)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(xiàn)在燃料電池技術(shù)發(fā)展是朝著高電流操作、方向發(fā)展的，高電流操作的時候，傳質(zhì)就非常重要。
 
那么，如何能有一個好的氣體擴(kuò)散層材料呢？
 
王海江指出，首先要分析氣體擴(kuò)散層在燃料電池里面所起的作用。首先，第一個作用是傳質(zhì)的作用，氣體擴(kuò)散層要把氣體均勻的擴(kuò)散到催化劑上進(jìn)行反應(yīng)，同時要把產(chǎn)物能夠帶出來，這是氣體擴(kuò)散層的第一個作用。
 
同時，燃料電池里面反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也要通過氣體擴(kuò)散層帶出去。另外所產(chǎn)生的電流也要通過氣體擴(kuò)散層導(dǎo)到外面的電路，傳質(zhì)、傳熱、導(dǎo)電是氣體擴(kuò)散層在燃料電池里面主要的功能。
 
此外，氣體擴(kuò)散層需要有一定的機(jī)械強(qiáng)度來支撐膜電極，比如，膜電極是CCM機(jī)械強(qiáng)度不夠，需要有一個支撐，這個是氣體擴(kuò)散層四個功能。因為有這樣一個功能的要求，所以對氣體擴(kuò)散層的材料選擇也是有一定的要求。
 
首先，氣體擴(kuò)散層必須是多孔的介質(zhì)，需要良好的導(dǎo)熱性，有良好的導(dǎo)電性，同時有一定的機(jī)械強(qiáng)度。
 
另外，因為氣體擴(kuò)散層在燃料電池里面工作，所以它需要有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。正因為有這樣一個要求，所以氣體擴(kuò)散層的選擇并不是很多。早期的時候有些人用金屬網(wǎng)或者金屬泡沫來做氣體擴(kuò)散層，因為它的化學(xué)穩(wěn)定性不高，所以后來基本上氣體擴(kuò)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(jī)械強(qiáng)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(kuò)散層。
 
質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層材料的結(jié)構(gòu)對氣體擴(kuò)散層的性能有非常大的影響。如何去解決氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的問題？
 
王海江表示，南方科技大學(xué)氫能與燃料電池研究團(tuán)隊用模擬方法優(yōu)化了氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)，用一些現(xiàn)有的氣體擴(kuò)散層，用CT掃描的方法，得到氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)，再把氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)放在計算機(jī)里面進(jìn)行兩相模擬，來優(yōu)化這個氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)。有了模擬以后，還用試驗測量了氣體擴(kuò)散層的一些性能。
 
氣體擴(kuò)散層最主要的是氣體要從其里面走，氣體在多孔介質(zhì)里面的擴(kuò)散系數(shù)是決定在燃料電池里面性能的關(guān)鍵指標(biāo)。
 
王海江指出，南方科技大學(xué)氫能與燃料電池研究團(tuán)隊用了一個做擴(kuò)散系數(shù)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(zhì)里面的擴(kuò)散系數(shù)。有了擴(kuò)散系數(shù)的測量，測量不同結(jié)構(gòu)的樣品，就能優(yōu)化氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的性能。
 
此外，南方科技大學(xué)氫能與燃料電池研究團(tuán)隊還做了一個氣體擴(kuò)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(kuò)散層的樣品和一個質(zhì)子交換膜，陽極一側(cè)是水在里面流動，膜永遠(yuǎn)是完全潤濕的，陰極一側(cè)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(kuò)散層的速度與空氣流量之間的關(guān)系。
 
王海江表示，因為水流過氣體擴(kuò)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(xiàn)象。在虛線的下側(cè)，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(kuò)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(xué)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(jīng)本人審閱）
 
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