燃料电池气体扩散层设计与选型

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1、燃料电池气体扩散层设计与选型燃料电池气体扩散层设计与选型 作为膜电极的重要组成部件，气体扩散层的设计与选型需根据电 堆水管理特性、极板尺寸、单体目标厚度等因素因地制宜。气体扩散层(GDL)是一类疏水多孔介质材料，位置介于流场板和催 化层，担当水气输运、热量传递、电子传导的载体，并在装配和运行 过程中提供结构支撑。GDL通常由大孔基底层(Macroporous substrate:MPS)和微孔层(Microporous layer:MPL)组成。其中，基 底层通常由碳纤维各向异性堆叠组成，直接与流场板接触；微孔层由 碳基粉末和憎水剂混合而成，直接与催化层接触。Woven Fabric 碳布Th

2、ickness： 0.3mm to 2mm + 3x density of Felt Flexible weave constructionMGL 模壓型碳紙Thickness： 0.18mm to 0.4mm +Rigid, highly graphiticExcellent long term durabilityFlexible Paper 碳紙Thickness： 03.7mm to 0.25mm +Roli3bler scalable, cost effective气体扩散层关键特性Nonwoven Felt 碳氈Thickness： 2.8mm to 6mm + Low thru

3、plan resistance High purity PAN precursor气体扩散层通常由多孔、非编织性和大孔结构的碳基材组成，基 材经PTFE疏水处理后，并涂覆有单层或多层微孔层(MPL)。一般，质 子交换膜燃料电池用气体扩散层材料应具有反应气扩散、产物水扩散 传输、导电、导热和机械支撑等关键特性。反应气扩散气体扩散层的首要任务是传送反应气氢气和氧气，确 保足够的反应物质快速和均匀扩散至催化层。因此，气体扩散层的孔 径在一定范围内应足够大，且孔隙需具备足够的疏水特性以避免燃料 电池的产物水阻塞孔道。产物水扩散与传输一方面，气体扩散层需有效将液态水自催化层移至流场板(或极板)，以避免液

4、态水阻塞反应物扩散通道引起传质极化增加。另一方面，排 水特性需进行最佳设计。排水能力过强，将导致质子膜过度干燥产生脱水”现象，质子传导率下降。导电气体扩散层材料导电能力高有助于降低电子传导过程中的欧姆损 失。但调整气体扩散层的其他物理特性会影响到材料的导电特性，如： 增加气体扩散层的孔隙率及PTFE含量时，通常导电率将下降。一般， 碳基材料的导电特性可依据碳材料的热处理温度进行改善。导热AGDLCCM CMPL CMPS典型PEMFC单体温度分布膜电极反应产生的热量需自气体扩散层传导至极板，同时需保持 膜电极温度分布均匀。热量的局部累积将对电池的电极反应、质子膜 欧姆损失、水挥发与冷凝产生直接

5、影响。机械支撑在膜电极组件中，气体扩散层扮演着支撑 CCM 角色，即保护催化 层和质子膜作用。此外，气体扩散层的存在避免了流场板高强度面压 对CCM的损伤、电池装配过程中CCM浸入流场板引起的干扰传质和 强度破坏等问题。微孔层微孔层是一层由碳粉和PTFE组成的微孔隙结构。微孔层厚 度和孔隙度对燃料电池性能有着重要影响。微孔层厚度直接影响产物 水的传输速率、气体扩散层导电特性 （接触电阻）以及机械强度（如微孔 层表面粗糙度）。以下提供了一些基本的比较实验，方便使用者对微孔 层设计和选型有基本的认知。产物水传输速率在微孔层载量比较实验中，保持碳颗粒大小和PTFE含量相同，在 相同碳纸基材上涂覆载量

6、分别为 10、30 和 60g/m2 微孔层。实验使 用 50cm2 单电池夹具(阳极为双蛇形流道，阴极为三蛇形流道)，电池 温度70弋，反应气背压12psig，反应气化学计量比为2，分别测试干 工况(v 30%RH)和湿工况( 70%RH)电池性能。实验数据可以看到，增加微孔层载量对电池干工况下性能提升有 益。由于较厚微孔层可避免质子膜脱水干燥，且接触电阻较小，因此 欧姆损失较小。但当微孔层厚度较厚，可以看到在大电密放电区域(1.2A/cm2)发现极化曲线开始出现了明显的传质限制现象。L2 1g/m2 MPL Loadingg/m2 MPL Loading60 g/m2 MPL Loadin

7、g0.60.40.20.0031.013Current Density fA/cm2)不同载量微孔层干工况下性能对比相反，湿工况下薄微孔层具有最优性能表现。因此，在设计和选 型气体扩散层时，水管理的平衡是个重要课题，既需足够的水分保持 质子膜湿润，也要避免水分积聚阻碍气体传输。10 g/m2 MPL Loading g/m2 MPL Loading60 g/m2 MPL Loading0.8 0.6 0-4 0.20.00.5X01.5Current Density (A/cm2)不同载量微孔层湿工况下性能对比接触电阻实验中采用传输线法(Transmission Line Method)进行气

8、体扩散 层接触电阻研究，测试中将铜板放置在气体扩散层不同位置上测量其 电阻。选用不同载量微孔层 8、15、30、50g/m2 进行测试，发现当 微孔层载量为30g/m2，接触电阻已出现大幅下降。表示当微孔层载 量提升时，气体扩散层表面较平坦。一般，当微孔层载量15g/m2时， 接触电阻较大，欧姆阻抗较高。(clu)a)aueAS80kW),大电密 (2.5A/cm2)等特性，因此MB-30产品从优化水热管理能力出发对结 构进行专门设计和调整，精准控制微孔层的孔隙率与孔径大小，使其 适用于大功率 FCV 车载应用。这款产品自2010 年发布后，已成功应 用于各类车型超过十年以上时间，产品寿命(耐久性)经过了实际长时间 验证。MB-30特别适用于阴极高加湿工况(70%RH)，并搭配使用车载 电堆的窄型流道板(单流道槽宽)留5OA 300J11.5223Current Density A/cm2极化曲线(阳 AvCarb GDS3260/阴 AvCarb MB-30)在部分主机厂测试中看到，在使用MB-30气体扩散层条件下，电 堆可在超过 6A/cm2 极限电流下操作，实际运行中也通过了超过 35,000小时的连续运行验证，展现其高耐久性。