應(yīng)用故事 | 燃料電池氣體擴(kuò)散層材料—碳紙的導(dǎo)熱性能測(cè)試

質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作為一種新興的低溫燃料電池，具有效率高、工作溫度低、0排放等優(yōu)點(diǎn)，是新型綠色能源的主要發(fā)展方向之一。

PEMFC的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly, MEA)，EMA由兩層氣體擴(kuò)散層(Gas Diffusion Layer,GDL)、兩層催化層和一層質(zhì)子交換膜組成。

PEMFC燃料電池的的反應(yīng)原理如圖1所示。PEMFC單電池由EMA（陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜）和雙極板組成。陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，一般采用鉑/炭或鉑/釕為電催化劑，質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)，氫或凈化重整氣為燃料，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動(dòng)通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板。具有一定濕度和壓力的氫氣和氧氣分別進(jìn)入陽(yáng)極和陰極，經(jīng)氣體擴(kuò)散層（圖中為碳紙）到達(dá)催化劑層和質(zhì)子交換膜的界面，分別在催化劑的作用下發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。

在陽(yáng)極，氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成氫離子和電子，其中氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)到陰極（質(zhì)子交換膜的*屬性使其只允許氫離子通過(guò)），電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，在陰極氫離子、電子和氧氣反應(yīng)生成水。生成的水以水蒸氣或冷凝水的形式隨多余的氧氣從陰極出口排出。

圖1  燃料電池（包括膜電極和雙極板）單電池示意圖

氣體擴(kuò)散層位于膜電極的兩端，是燃料電池的重要組件之一，其作用包括支撐質(zhì)子交換膜、涂掛催化劑、連接膜電極與雙極板等。GDL材料在性能上需具備以下幾點(diǎn)：

1、 因GDL介于雙極板與觸媒層之間，電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，電流密度很高，存在高電腐蝕性，因此GDL材料必須具備抗腐蝕性；

2、 GDL材料充當(dāng)氫氣/氧氣或者甲醇/空氣擴(kuò)散至觸媒層反應(yīng)的媒介，必須為多孔性透氣材料；

3、 GDL材料扮演電流傳導(dǎo)器，必須為高導(dǎo)電的材料；

4、 電池反應(yīng)時(shí)為放熱反應(yīng)，GDL材料必須為高導(dǎo)熱材料，及時(shí)散熱，避免因局部過(guò)熱導(dǎo)致的質(zhì)子交換膜破損；

5、 GDL材料應(yīng)具備高疏水性，避免電池反應(yīng)生成的水對(duì)觸媒層造成破壞。

碳纖維紙（簡(jiǎn)稱(chēng)碳紙）由短切碳纖維為原料制造而成，在微觀上具有纖維多孔結(jié)構(gòu)，可為氣體及水的傳導(dǎo)建立有效通道。同時(shí)，碳紙具有質(zhì)量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙率均勻等優(yōu)點(diǎn)。此外，具有高強(qiáng)度的碳紙可為PEMFC電池的安裝和使用帶來(lái)保障，起到穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，提高電池的壽命。加之碳紙制造工藝成熟、性能穩(wěn)定，因此，碳紙成為膜電極中氣體擴(kuò)散層材料的主流選擇。碳紙作為氣體擴(kuò)散層的膜電極如圖1所示。由于碳紙制備過(guò)程中存在纖維排列取向，因此碳紙本身具有各項(xiàng)異性。

鑒于導(dǎo)熱性能是GDL材料的重要指標(biāo)之一，因此本文通過(guò)耐馳閃光法導(dǎo)熱儀LFA 467對(duì)某碳紙樣品的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。本測(cè)試中使用LFA467分別測(cè)試碳紙樣品的水平和垂直方向的熱擴(kuò)散系數(shù)，使用DSC測(cè)試碳紙樣品的比熱。通過(guò)將樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱、密度三者相乘，得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖2 碳紙樣品照片

圖3  In-Plane樣品支架

表1是該碳紙樣品（圖2）水平方向的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果。該測(cè)試使用的支架為In-plane支架（圖3），可用于測(cè)試高導(dǎo)熱薄膜材料水平方向的熱擴(kuò)散系數(shù)。可知該樣品在25oC和100oC時(shí)，水平方向的熱擴(kuò)散系數(shù)分別為58.610 mm2/s、50.122 mm2/s，導(dǎo)熱系數(shù)分別為20.568 W/(m*K)、21.794 W/(m*K)。圖4為測(cè)試的溫升曲線(xiàn)，可以看出測(cè)試曲線(xiàn)（藍(lán)色）和擬合曲線(xiàn)（紅色）的擬合效果較好。

表1 碳紙樣品水平方向的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果

圖4 碳紙樣品水平方向測(cè)試的溫升曲線(xiàn)

表2是該碳紙樣品垂直方向的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果。該測(cè)試使用的支架為薄膜樣品支架（圖5），可用于測(cè)試薄膜樣品垂直方向的熱擴(kuò)散系數(shù)。由結(jié)果可知，該樣品在25oC和100oC時(shí)，垂直方向的熱擴(kuò)散系數(shù)分別為7.902 mm2/s、6.382 mm2/s，導(dǎo)熱系數(shù)分別為2.773 W/(m*K)、2.775 W/(m*K)。樣品水平方向的導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于垂直方向，具有明顯的各項(xiàng)異性。因樣品為纖維多孔結(jié)構(gòu)，垂直方向測(cè)試時(shí)存在一定程度的透光，因此結(jié)果計(jì)算時(shí)，采用透明模型。

表2 碳紙樣品垂直方向的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果

圖5 專(zhuān)用于薄膜厚度方向?qū)釡y(cè)量的薄膜樣品支架

在質(zhì)子交換膜燃料電池中，氣體擴(kuò)散層作為膜電極的重要組成部分，其成本通常占據(jù)膜電極成本的20-25%。行業(yè)分析預(yù)計(jì)到2024年，全球氣體擴(kuò)散層材料市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)33.4億美元。碳紙作為氣體擴(kuò)散層的材料，在我國(guó)的行業(yè)發(fā)展前景十分廣闊。導(dǎo)熱系數(shù)是碳紙的重要指標(biāo)之一。通過(guò)耐馳的閃射法導(dǎo)熱儀LFA467及其In-plane支架和薄膜支架，可以準(zhǔn)確、便捷地測(cè)試碳紙樣品水平和垂直方向的導(dǎo)熱性能。

作者

李金艷

耐馳儀器公司應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室