南方科技大學教授、加拿大工程院院士王海江：氣體擴散層介紹
摘要隨著汽車的發(fā)展，要求膜的強度提高，純粹的聚合物膜不能滿足要求了，后來Gore公司發(fā)明了增強型的膜，主要是滿足雙向拉伸微孔膜，使得現(xiàn)在燃料電池功率密度大幅度提高。
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作為燃料電池核心材料，氣體擴散層、質(zhì)子交換膜具有極高的技術(shù)壁壘，縱使國內(nèi)燃料電池發(fā)展如火如荼，但核心材料依然主要依賴進口，國內(nèi)能夠量產(chǎn)的企業(yè)寥寥無幾。這兩款材料幾乎形成了難以逾越的兩座大山。??
在一次公開論壇上，國內(nèi)氣體擴散層"領(lǐng)路人"南方科技大學教授、加拿大工程院院士王海江，及質(zhì)子交換膜"領(lǐng)路人"上海交通大學化學化工學院教授張永明分別發(fā)表了演講，解讀技術(shù)、工藝開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進展。且看下文：??
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南方科技大學教授、加拿大工程院院士王海江??
演講要點：①不同量產(chǎn)規(guī)模情況下，氣體擴散層占電堆成本比例情況；②氣體擴散層材料的功能與選擇；③用模擬方法優(yōu)化氣體擴散層的結(jié)構(gòu)問題；④氣體擴散層水管理研究；⑤氣體擴散層工藝開發(fā)??
氣體擴散層是燃料電池電堆里面的一個核心材料，目前我國主要依靠進口?？傮w來說，氣體擴散層是我們?nèi)剂想姵丶夹g(shù)發(fā)展里面一個"卡脖子"技術(shù)。我們必須要解決這樣一個技術(shù)，南方科技大學氫能與燃料電池研究團隊不辱使命，在過去兩年多的發(fā)展里面，優(yōu)化了燃料電池氣體擴散層的結(jié)構(gòu)，開發(fā)了氣體擴散層的生產(chǎn)工藝，也實現(xiàn)了氣體擴散層小批量生產(chǎn)。??
關(guān)于氣體擴散層在燃料電池電堆里面價格的分布，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，氣體擴散層的價格占比會減少一些，但即使到批量化的生產(chǎn)，它也占有一定的比例；當規(guī)模達到50萬輛的時候，它還有6%的價格比例，所以氣體擴散層對燃料電池的價格有非常大的影響。
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如何有一個好的氣體擴散層材料？首先要分析它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，它要把氣體均勻的擴散到催化劑上進行反應(yīng)，同時要把生成的水能夠帶出來。同時，燃料電池里面反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也要通過氣體擴散層帶出去。另外，所產(chǎn)生的電流也要通過氣體擴散層導到外面的電路，傳質(zhì)、傳熱、導電是氣體擴散層在燃料電池里面主要的功能。同時它需要有一定的機械強度來支撐膜電極，這是氣體擴散層的第四個功能。??
因為有這樣一個功能的要求，所以我們對氣體擴散層的材料選擇也是有一定的要求。首先它必須是多孔的介質(zhì)，需要良好的導熱性，有良好的導電性，同時有一定的機械強度。另外因為它在燃料電池里面工作，所以它需要有良好的化學穩(wěn)定性。??
正因為有這些要求，所以氣體擴散層的材料選擇并不是很多。早期有些人用金屬網(wǎng)或者金屬泡沫來做氣體擴散層，但它的化學穩(wěn)定性不高，所以后來基本上氣體擴散層材料的選擇只有兩種，要么就是碳布，要么是碳紙。碳布的機械強度不是特別高，所以后來基本上所有的公司都是用碳紙作為氣體擴散層。??
現(xiàn)在材料基本上定下來了，材料的結(jié)構(gòu)對氣體擴散層的性能有非常大的影響。如何去解決氣體擴散層結(jié)構(gòu)的問題？我們團隊首先在模擬計算這方面，多孔介質(zhì)兩相流動等等，我們用模擬方法來優(yōu)化它的結(jié)構(gòu)。??
我們用一些現(xiàn)有的氣體擴散層，用CT掃描的方法得到它的結(jié)構(gòu)，再把它的這個結(jié)構(gòu)放在計算機里面進行兩相模擬，來優(yōu)化這個氣體擴散層的結(jié)構(gòu)。有了這個模擬以后，再用試驗來測量氣體擴散層的一些性能。??
氣體擴散層最主要是氣體在里面走，氣體在多孔介質(zhì)里面的擴散系數(shù)是決定在燃料電池里性能一個關(guān)鍵指標。我們用了一個做擴散系數(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)里面的擴散系數(shù)。有了擴散系數(shù)的測量，測量不同結(jié)構(gòu)的樣品，就能優(yōu)化氣體擴散層結(jié)構(gòu)的性能。?
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另外一個研究就是氣體擴散層里面水管理的研究，我們用了一個非常簡單的方法，用一個類似于單電池的測試，但是這個單電池里面沒有放一個正常的MEA，而是放了氣體擴散層的樣品和一個質(zhì)子交換膜，陽極這一側(cè)是水在里面流動，這個膜永遠是完全潤濕的。陰極這一側(cè)按照不同的空氣流量，在不同的空氣流量下面來測量水從這里面走出來的速度，這樣就得到水穿過氣體擴散層的速度與空氣流量之間的關(guān)系。??
得到右下角這樣一個圖，從這個圖里可以看到燃料電池里面水平衡的情況。在紅色的虛線上面，水流過氣體擴散層的速度特別大，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，我們就可以計算出來什么樣的氣體擴散層在燃料電池里面的水管理是最為有效的。
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我們有了這樣一些研究之后，就可以確定氣體擴散層的結(jié)構(gòu)，然后進一步來開發(fā)氣體擴散層的工藝。??
氣體擴散層的生產(chǎn)通過通用氫能公司來實現(xiàn)。在過去一年多的時間，通用氫能公司開發(fā)出來氣體擴散層的生產(chǎn)線，目前產(chǎn)能一般情況下是10萬平米，如果說三班倒的話，可以做到年產(chǎn)30萬平米氣體擴散層的生產(chǎn)能力。?
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（上圖）中間上面這個表是氣體擴散層的一些性能指標，這個指標和國外商業(yè)化的氣體擴散層基本是非常類似的。中間下面這個圖是氣體擴散層在燃料電池里面的性能表現(xiàn)，可以看到我們的氣體擴散層和國外的氣體擴散層的性能基本上是一樣的。這個曲線里面有一個特點，兩個安培的時候，仍然沒有看到有傳質(zhì)控制這樣一種現(xiàn)象，所以它的好處，放在燃料電池電堆里面，如果操作點為1A/cm2的情況下，可以過載100%都沒有問題
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