氣體擴散層

氣體擴散層在燃料電池中起到支撐催化層、收集電流、傳導氣體和排出反應產物水的重要作用。

常用於質子交換膜燃料電池電極中的氣體擴散層材料為碳纖維紙、碳纖維編織布、非織造布及炭黑紙等。

基本介紹

• 中文名：氣體擴散層
• 外文名：Gas Diffusion Layer
• 套用：質子交換膜燃料電池
• 作用：支撐催化層、收集電流等
• 常見材料：碳纖維紙、碳纖維編織布等
• 領域：燃料電池

質子交換膜燃料電池

燃料電池是一種在等溫條件下，不經過燃燒直接以電化學反應方式將燃料和氧氣中的化學能轉化為電能的發電裝置，具有高效、無污染、無噪聲、可靠性高、模組化、對負載變化快速回響等顯著優點，被譽為21世紀的主要能源之一，是繼火電、水電、核電之後的第四代發電方式。只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續不斷地發電。氫是燃料電池的最佳燃料，而燃料電池也正是氫能轉換為電能的最佳轉換裝置，其理論轉化效率為83%（25℃），目前實際工作轉換效率在45%～60%，比內燃機效率（20%～40%）高。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有工作溫度低、無污染、無腐蝕、比功率大、啟動迅速等優點，已經成為能源領域研究的熱點之一。20世紀60年代，美國率先將PEMFC用於雙子星座航天飛行；1980年以後，PEMFC的研究逐漸被一些有實力的國家列為戰略性的課題，其開發與套用取得了突破性的進展。

各種類型的燃料電池中，質子交換膜燃料電池（PEMFC）因其操作溫度（約80℃）低，功率密度高，啟動快，對負載變化回響快，在最近幾年備受關注。其中氫/空氣質子交換膜燃料電池尤為適用於輕型汽車動力和建築物電源。托馬斯最近的一項研究中就燃料電池和一般儲能電池作為汽車動力進行了比較，發現運行里程大於160公里（100英里）時，燃料電池從質量、體積、成本、溫室氣體減排、加油時間、能源效率（使用天然氣和生物質能制氫為燃料）和生命周期都優於一般的鋰電池。質子交換膜燃料電池還可以使用甲醇直接作為原料，即直接甲醇燃料電池。直接甲醇燃料電池是攜帶型電源的首選之一。但是其功率密度低，Pt含量高，不適於作為汽車動力電源。

氣體擴散層的功能特點

PEMFC是以全氟磺酸型固體聚合物為電解質，以Pt/C或Pt-Ru/C為電催化劑，以氫氣或淨化重整氣為燃料，空氣或純氧氣為氧化劑，並以帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬為雙極板的低溫燃料電池，其中電極由多孔的擴散層和催化劑層組成。燃料氣體經過陽極擴散層到達催化劑層，在催化劑的作用下發生電極反應，即：該電極反應產生的電子通過催化劑層的傳導流經外電路到達陰極，同時氫離子在質子交換膜的作用下到達陰極。氧氣通過陰極擴散層後與氫離子和電子在催化劑作用下發生電極反應生成水，即：。生成的水必須及時排出，以免發生“水淹電極”的現象。由此可知氣體擴散層在電極中不僅起著支撐催化劑層、穩定電極結構的作用，還具備為電極反應提供氣體通道、電子通道和排水通道的多種功能。

氣體擴散層的性能要求

選用高性能的氣體擴散層材料有利於改善電極的綜合性能，這種材料必須滿足以下要求：1.均勻的多孔質結構，透氣性能好；2.電阻率低，電子傳導能力強；3.結構緊密且表面平整，減小接觸電阻，提高導電性能；4.具有一定的機械強度，適當的剛性與柔性，利於電極的製作，提供長期操作條件下電極結構的穩定性；5.適當的親水/憎水平衡，防止過多的水分阻塞孔隙而導致氣體透過性能下降；6.具有化學穩定性和熱穩定性；7.製造成本低，性能/價格比高。

氣體擴散層材料選擇

研究中的氣體擴散層基底材料包括碳纖維紙、碳纖維編織布、碳纖維非紡材料及碳黑紙等，但有的也使用金屬材料，如扁平的金屬海綿———網狀金屬鎳。

碳纖維紙

碳纖維紙是一種廣泛套用於PEMFC電極中的氣體擴散層材料，它不僅具有均勻的多孔質薄層結構，而且由於主要原料使用石墨化碳纖維，使得它具備優異的導電性、化學穩定性和熱穩定性。

碳纖維編織布

由於碳纖維紙脆性大，缺乏柔性，在製備電極的過程中易被損壞，因此在PEMFC電極中使用較多的氣體擴散層基底材料還有碳纖維編織布。它沒有碳纖維紙那樣的機械脆性，具有彎曲性能，依賴於纖維結構和編織工藝；還具有一定的抗壓性能，有利於通過加壓的辦法來改善它與電解質或催化劑層的電接觸。編織用的碳纖維紗線是長的碳纖維，經綑紮而成，但最好是通過紡紗工藝對紗線加捻後編織成布，不過這種碳布也可以是由碳纖維的前驅體編織成布後經過炭化製成。

無紡布

為了克服碳纖維紙缺乏柔性而碳纖維編織布缺乏尺寸穩定性的弱點，PEMFC電極用氣體擴散層基底還可選用碳纖維無紡布。它同時具備一定的機械強度，且有高的柔性和尺寸穩定性等優點，從而利於電極的製作。適合的材料最好包括碳纖維、玻璃纖維或者含有機聚合物的纖維，這些有機聚合物可以是聚丙烯、聚酯（聚對苯二甲酸乙二醇酯）、聚亞苯基硫或聚醚酮等。

碳黑紙

作為氣體擴散層基底使用的炭黑紙，是由炭粉和聚合物粘結劑均勻分散後，經過熱壓成型而形成表面平整的片材，其中聚合物與炭粉的質量比在20：80和45：55之間。炭粉可選用活性炭、炭黑、乙炔黑或其混合物，炭粉的比表面積在50m²/g-2000m²/g之間；聚合物可選擇氟樹脂，如PTFE、聚偏1、1-二氟乙烯等，這種氟樹脂同時還可作為炭黑紙的憎水處理劑，從而簡化了後面的憎水處理工藝，降低了成本。

氣體擴散層性質的表征與測試

在氣體擴散層中主要進行著反應氣體的傳遞、反應產物的轉移以及電子的傳輸。考察擴散層的性質即主要考察這三方面的傳遞能力。一般除了通過從極化曲線上直接分析擴散層性能外，人們還建立了一些物理手段來表征擴散層的性質，主要包括擴散層的流體傳輸特性、導電性、孔結構以及親/疏水特性等。

流體傳輸特性

氣體擴散層中的流體主要是反應氣體、水蒸汽和液態水。氣體在擴散層中的主要傳遞方式為擴散，還包括部分的對流傳質。氣體擴散層中的有效擴散係數D_eff是對擴散係數D的修正，與曲率τ成反比，與孔隙率ε成正比，一般近似地寫為。通過實驗測試擴散係數的具體做法是：在擴散層兩側分別通以相等壓力的待測氣體和載氣，使待測氣體以擴散的方式通過擴散層；在另一側定量檢測該氣體（如氣相色譜法），從而計算出該氣體在擴散層中的擴散係數。

孔結構

孔隙率、孔分布和孔體積是衡量擴散層孔結構的重要參數。常用的孔結構測量儀器有壓汞儀和毛細管流動孔隙儀。前者以汞作潤濕液，套用一定的壓力將汞壓入待測樣品的孔中。後者採用低表面能的矽樹脂（silwick）為介質，在毛細力的作用下潤濕待測樣品後再加壓迫使其流出孔道。但是兩種方法都不能反映電池運行時擴散層內的真實物質傳輸通道，因為氣體擴散層材料里的非連通孔是對物質傳輸沒有意義的，而在採用壓汞法或毛細管流動孔隙儀測量時斷孔、死孔都是包含在內的。

親/疏水性質

擴散層的液體潤濕性即其親/疏水性質也是影響燃料電池性能的重要因素之一。適宜的親/疏水孔比例有利於改善傳質、提高極限電流密度。表征擴散層的親/疏水性質有兩種方法：一是浸漬法，直接表征其親水孔和疏水孔孔體積；二是測量接觸角法，間接表征親/疏水性質。

導電性

擴散層的導電性，根據測量方向的不同，一般有兩種測量方式。對through-plane方向即擴散層的厚度方向，一般採用加壓測量接觸電阻的方法，而對於in-plane方向的電阻多採用四點探針法。