科普小课堂|气体扩散层（GDL）
文摘
2024-11-26 08:58
山西
当前，在电解槽制氢技术中，碱式制氢占据主导地位；而在氢燃料电池的制造领域，质子交换膜燃料电池（PEMFC）则成为主流选择。PEMFC之所以成为技术研发与生产的焦点，很大程度上得益于其关键零部件的重要性，这与PEMFC的产品特性紧密相关。该类型燃料电池操作温度低（维持在大约80℃），具备高功率密度、启动迅速以及对负载变化响应灵敏的特点，这些优势使其非常契合氢燃料电池的应用需求。随着市场需求的不断扩大，这一领域的技术研发得到了有力推动，同时也对其上游的关键零部件制造提出了更高要求，其中，气体扩散层作为核心部件之一，显得尤为重要。气体扩散层（简称GDL）在燃料电池中扮演着多重角色，包括支撑催化层、收集电流、传导气体以及促进反应产物水的排出。根据其在电池中的位置和功能，气体扩散层进一步细分为阴极扩散层和阳极扩散层，与催化剂的分类方式相似。在电堆的成本构成中，气体扩散层占据了相对较高的比例，仅次于催化剂。催化剂成本高昂，主要是由于贵金属材料的运用以及国产化进程尚未全面铺开。而气体扩散层目前成本较高的核心原因，在于国外的技术垄断尚未完全打破。氢燃料电池中，气体扩散层作用关键：燃料气体经阳极扩散层至催化剂层反应，电子传导至阴极，氢离子经质子交换膜至阴极与氧气、电子在催化剂下反应生成水，需及时排出防水淹。气体扩散层支撑催化剂层、稳定结构，提供气体、电子通道及排水功能。气体扩散电极与之相似，区别在于是否含催化剂层，即将催化层直接做于气体扩散层上。气体扩散层通常由基底层（GDB）覆有一层较薄的微孔碳层的（MPL）组成。基底层直接与气流通道接触，用作气液体的扩散与导电。微孔层含有碳粉和疏水剂，主要管理液态水和水蒸气的流动。碳纤维为气体扩散层核心，决定其性能。碳纤维孔径约10.0μm，孔隙率0.7~0.8，需疏水处理，浸入PTFE水分散液后高温干燥形成耐用涂层。微孔层由碳黑、憎水剂构成，厚10~100μm，改善基底孔隙、降接触电阻、引导气体均匀分布至催化层、排水防水淹。气体扩散层功能包括：引导反应气体至催化剂层，保证机械完整性，排水防“水淹”，防干燥降传导率。涉及过程有热转移、气态输运、两相流、电子输运、表面液滴动力学等。关键指标：孔结构（透气性好，孔隙率、分布、体积重要）；亲/疏水性质（平衡防水阻气）；导电性（紧密平整，传导能力强）；机械强度（刚柔适中，稳定电极结构）；稳定性（化学、热稳定）；制造成本低（高性价比）。气体扩散层厚度、表面预处理影响传热传质阻力，是氢燃料电池浓差极化、欧姆极化主要源头。减薄可降低极化，但可能影响机械强度。因此，研发亲疏水性合理、表面平整、孔隙均匀且高强度材料是关键。研究还涉及压缩、冻融、气流、水溶机械降解及启动、关闭、“氢气饥饿”时化学降解的性能退化。基底层是气体扩散层核心，材料研究多样，主要包括碳纤维纸、编织布、无纺布、炭黑纸及金属海绵（如网状镍）。碳纤维纸因其多孔薄层结构、石墨化碳纤维原料，而具备优异导电性、化学与热稳定性，广泛应用于PEMFC电极的气体扩散层。碳纤维编织布：因碳纤维纸脆性大，PEMFC电极中常用气体扩散层基底还有碳纤维编织布。它具弯曲性，依赖纤维结构和编织；且抗压，利于加压改善电接触。编织碳纤维纱线可纺纱加捻后编织，或由碳纤维前驱体编织后炭化制成。无纺布：为克服碳纤维纸脆性、编织布尺寸不稳，PEMFC电极气体扩散层基底可选碳纤维无纺布。它机械强度高、柔性好、尺寸稳定，利于电极制作。优选材料含碳纤维、玻璃纤维或有机聚合物纤维（如聚丙烯、聚酯、聚亚苯基硫、聚醚酮）。碳黑纸：由炭粉与聚合物粘结剂（质量比20:80-45:55）热压成型，炭粉可选活性炭、炭黑、乙炔黑，比表面积50-2000m2/g；聚合物可选氟树脂（如PTFE），兼作憎水处理剂。但碳纤维纸因质轻、平整、耐腐蚀、孔隙均匀、强度高且厚度可调，更适合耐久性燃料电池，制造工艺成熟、性能稳定，成为气体扩散层主流材料。碳纸是气体扩散层核心原料，由短切碳纤维经湿法或干法制备。难点在于将碳纤维制成碳纸，同时需掌控材料结构和水热管理。我国碳纸国产化初期，制备难点在于保证透气、导电导热、支撑性功能下控制厚度，且树脂添加剂配方为企业机密。碳纸制备分干法和湿法。湿法为主流，将碳纤维与水、分散剂混合抄纸后，经浸渍、树脂化、碳化制得。干法以空气为介质，气流成网后涂胶、干燥、碳化，所得碳纸导电好、强度高、透气佳。目前，干法量产制备碳纸原纸技术鲜有企业掌握。
