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气体扩散层简介

信息来源:金联创 2020-01-19 15:07:15
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在质子交换膜燃料电池中,气体扩散层主要起到以下作用:(1)使反应物从流场通道移动并均匀分布到催化剂层并去除生成物水;(2)为膜电极组件提供结构支撑;(3)导通双极板与催化剂层之间的电流。

因此,气体扩散层的下列特性应满足燃料电池运行要求:1. 均匀的多孔质结构,透气性能好;2. 电阻率低,电子传导能力强;3. 结构紧密且表面平整,减小接触电阻,提高导电性能;4. 具有一定的机械强度,适当的刚性与柔性,利于电极的制作,提供长期操作条件下电极结构的稳定性;5. 适当的亲水/憎水平衡,防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降;6. 具有化学稳定性和热稳定性;7. 制造成本低,性能/价格比高

目前最常用的气体交换层材料为碳基材料,包括碳纤维纸(非织造)和碳布(编织)。碳基材料具有多孔结构,导电与导热性好,能满足燃料电池的运行条件与要求。目前碳纸与碳布的生产技术均较为成熟,不同性能与不同操作条件下的碳基材料均可在市场上获得。碳纸是用热固性树脂浸渍碳纤维制成的,碳纤维在超过 2000℃的温度下石墨化,以提高导电性和机械性能。而在碳布的制造过程中,由于碳纤维是编织的,所以不需要使用粘合剂,石墨化发生在碳纱的纺纱和编织之后。在燃料电池电堆中,以碳基材料做气体交换层的一个主要优点为其具有可压缩性,可以适应电池运行过程中发生的由于压力和温度变化以及水化引起的尺寸的变化。如前所述,碳布和碳纸具有不同的制造方法,因此具有不同的结构和性能。因此,它们在不同的操作条件和电池设计中表现出不同的性能。由于碳布和碳纸的结构差异,研究者通常认为,碳布在高湿度和/或高电流密度(潮湿条件下)下具有更好的除水性能,而在低电流密度下,碳纸具有更高的性能。

除此之外,还有无纺布以及炭黑纸。为了克服碳纤维纸缺乏柔性而碳纤维编织布缺乏尺寸稳定性的弱点,PEMFC电极用气体扩散层基底还可选用碳纤维无纺布。它同时具备一定的机械强度,且有高的柔性和尺寸稳定性等优点,从而利于电极的制作。适合的材料最好包括碳纤维、玻璃纤维或者含有机聚合物的纤维,这些有机聚合物可以是聚丙烯、聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、聚亚苯基硫或聚醚酮等。作为气体扩散层基底使用的炭黑纸,是由炭粉和聚合物粘结剂均匀分散后,经过热压成型而形成表面平整的片材,其中聚合物与炭粉的质量比在20:80和45:55之间。炭粉可选用活性炭、炭黑、乙炔黑或其混合物,炭粉的比表面积在50m2/g-2000m2/g之间;聚合物可选择氟树脂,如PTFE、聚偏1、1-二氟乙烯等,这种氟树脂同时还可作为炭黑纸的憎水处理剂,从而简化了后面的憎水处理工艺,降低了成本。

根据美国能源部与巴拉德的联合研究项目,当气体扩散层的年产量为 1000万平方米/年(大约可供应 50 万套燃料电池系统)时,气体扩散层的生产成本为4.45 美元/m2,当生产规模为 10 万平方米/年时,生产成本则约为 56 美元/平方米

 

 

 

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