氢燃料电池发动机电堆膜电极气体扩散层 -涂覆碳纤维布

氢燃料电池发动机电堆膜电极气体扩散层

我们来到氢燃料电池发动机电堆的另一个关键组件——气体扩散层（Gas Diffusion Layer, GDL）。它位于膜电极（MEA）和双极板（Bipolar Plate）之间，虽结构相对简单，但其功能至关重要，是影响电堆水热管理和性能稳定性的核心。

一、气体扩散层（GDL）的作用与重要性

GDL是一个多孔、导电的薄层材料，其主要功能可以概括为：

1、气体扩散传输（Gas Diffusion）：

将反应气体（阳极的H₂、阴极的O₂/空气）从双极板的流道均匀地扩散到整个催化剂层（CL）的反应区域。
这是其最基本的功能，因此要求其必须具备高孔隙率和适宜的孔道结构。

2、电子传导（Electrical Conduction）：

作为导电体，将催化剂层中反应产生的电子高效地传导到双极板，形成电流回路。
因此，要求其具有高电子电导率和低的接触电阻。

3、水管理（Water Management） – 这是其最核心且复杂的功能：

排出生成水：在阴极，氧气还原反应会生成水。GDL必须能将这些水有效地排出，防止水淹（Flooding）。如果水排不出去，会堵塞孔隙，阻碍气体传输到催化剂层，导致“传质损失”，性能急剧下降。
保持适当湿度：同时，它还需要帮助维持质子交换膜（PEM）的充分湿润，防止膜过于干燥导致质子电导率下降。
这种微妙的平衡通过GDL的疏水处理和孔隙结构来实现。

4、热管理（Thermal Management）：

燃料电池反应会产生热量。GDL的导热性有助于将热量从催化剂层传导到双极板，再由双极板的冷却流道带走，维持电堆工作温度稳定。

5、机械支撑（Mechanical Support）：

为脆弱的膜电极（尤其是薄如蝉翼的质子交换膜和催化剂层）提供机械支撑，并在电堆压合时缓冲压力，防止MEA被压坏。

二、气体扩散层（GDL）的结构与组成

通常，GDL由两个部分构成：基底层（Substrate/Backing Layer）和微孔层（Microporous Layer, MPL）。

1. 基底层（Substrate）

材料：通常是碳纤维纸（Carbon Fiber Paper）或碳纤维布（Carbon Fiber Cloth）。碳纤维纸因其更均一的结构和更低成本，在商用燃料电池中应用更广。
制造工艺：将聚丙烯腈（PAN）基碳纤维通过类似造纸的工艺制成纸状，再经过高温石墨化处理，使其具有稳定的结构和优异的导电性、耐腐蚀性。
特性：
– 厚度：通常为150~400微米。
– 高孔隙率：通常>70%，提供气体和水的宏观传输通道。
– 具有一定的刚性：提供机械支撑。

2. 微孔层（MPL）

位置：涂覆在基底层和催化剂层之间的一层薄涂层。
材料：由导电碳粉（如乙炔黑、炭黑）和疏水剂（通常是聚四氟乙烯，PTFE）混合组成。
特性：
– 厚度：约30~50微米。
– 孔径更小：相比基底层，MPL的孔隙是纳米/微米级的，形成了更精细的孔道结构。
核心功能：
– 改善界面接触：提供更平整的表面，与催化剂层形成更紧密的接触，显著降低接触电阻。
– 提升水管理能力：这是MPL最关键的作用。其精细的孔道结构能产生巨大的毛细力，有助于将催化剂层中生成的液态水“抽吸”到基底层的粗孔道中，再排出。同时，PTFE的疏水性防止过多的水回流，有效避免阴极“水淹”，尤其是在高电流密度运行时。
– 保护CL：防止催化剂颗粒渗透到多孔的基底层中而造成损失。

三、 GDL的关键特性参数

孔隙率与孔径分布：影响气体和水的传输能力。
透气性：直接衡量气体通过GDL的难易程度。
亲/疏水性：主要由PTFE的含量决定，是水管理能力的核心。通常GDL是疏水的。
电阻（Through-Plane Resistance）：包括材料本身电阻和与CL、BPP的接触电阻，直接影响电池的欧姆损失。
厚度：影响气体扩散距离、机械强度和整个电堆的体积功率密度。
机械强度：确保在装配和运行中不被撕裂或压缩过度。

四、发展趋势与挑战

优化水管理：开发具有梯度孔隙结构或梯度疏水性的GDL/MPL，以更精细地控制水的传输和分布，进一步提升高电流密度下的性能。
薄型化：为了提升电堆的体积功率密度和质量功率密度，开发更薄但机械强度和功能不受影响的GDL。
增强耐久性：在燃料电池启停工况下，阴极侧会产生高电位（＞1.5V），导致碳材料腐蚀。开发抗腐蚀GDL（如使用石墨化程度更高的碳纤维或表面修饰）是提高寿命的关键。
成本降低：GDL的成本约占电堆的10%-15%。通过规模化生产和工艺优化进一步降低成本。

总结而言，气体扩散层远不止是一层简单的“扩散”材料。它是一个功能复杂的多孔介质，其核心使命是高效地管理气、液、电、热这四种物质的传输与平衡。其性能的优劣，直接决定了燃料电池，尤其是在苛刻工况下的性能和稳定性。