燃料电池车气体扩散层：是关键材料中降本较简单环节已踏出国产化第一步气体扩散层

2016-11-15 02:57

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导读：燃料电池车气体扩散层：是关键材料中降本较简单环节已踏出国产化第一步气体扩散层。气体扩散层(GDL,gasdiffusionlayer)位于流畅和催化层之间，主要作用是为参与反应的气体和生成的水提供传输通道，并支撑催化剂。

参考《2016-2022年中国氢燃料电池车行业发展现状及十三五发展趋势前瞻报告》

气体扩散层(GDL,gasdiffusionlayer)位于流畅和催化层之间，主要作用是为参与反应的气体和生成的水提供传输通道，并支撑催化剂。因此，扩散层基底材料的性能将直接影响燃料电池的电池性能。GDL必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性。

通常气体扩散层由支撑层和微孔层组成，支撑层材料大多是憎水处理过的多孔碳纸或碳布，微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成，作用是降低催化层和支撑层之间的接触电阻，使反应气体和产物水在流场和催化层之间实现均匀再分配，有利于增强导电性，提高电极性能。

选择性能优良的气体扩散层基材能直接改善燃料电池的工作性能。性能优异的扩散层基材应满足以下要求：（1）低电阻率；（2）高孔隙度和一定范围内的孔径分布；（3）一定的机械强度；（4）良好的化学稳定性和导热性能；（5）较高的性价比。

由于炭材料的孔隙度较高，孔径可调，常常被用作制备气体扩散层，主要有炭纸、炭纤维布、无纺布和炭黑纸，此外，也有的利用泡沫金属、金属网等来制备。

炭纸表面形貌

不同种类扩散层的性能指标

燃料电池生产商多采用日本东丽、加拿大Ballard、德国SGL等国际大生产商的炭纸产品。东丽目前占据较大的市场份额，且拥有的炭纸相关的专利较多，生产的炭纸具有高导电性、高强度、高气体通过率、表面平滑等优点；但Toray炭纸由于其脆性大而不能连续生产的特点导致其难以实现规模化生产，极大地限制了供应量的增长。我国对炭纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等。

中外炭纸基本性能参数对比

国产化碳纸与进口商品化碳纸比较，电阻率降低、透气性增大，有利于燃料电池性能的提高，下一步需要建立批量生产设备，真正实现碳纸的国产化供给。

中南大学提出了化学气相沉积（CVD）热解炭改性碳纸的新技术。根据燃料电池服役环境中碳纸的受力变形机制，发明了与变形机制高度适应的异型结构碳纸，采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相结合的连续化生产工艺，其产品的耐久性和稳定性有所提升。

炭纸是燃料电池关键材料中，目前来看最容易做到成本下降的部分。我们预计，FCV规模达到1万辆以上的情况下，炭纸的成本可以下降50%以上；FCV规模达到10万辆以上时，炭纸成本将为目前的10%以下。

工艺方面，气体扩散层所用炭纸初坯的制备方法可分为两种：湿法和干法。湿法造纸技术制备的扩散层用炭纸具有良好且均匀的大量孔隙，能够通过调节酚醛树脂的量来控制孔隙率的大小，有利于加工成满足实际需求的炭纸。

湿法制炭纸工艺

双极板：广泛采用无孔石墨板，材料的不断优化提供降本可能性双极板,又叫流场板,主要起到起输送和分配燃料、在电堆中隔离阳极阴极气体的作用,一般采用在石墨板上雕刻流道的方式设计。作为质子交换膜燃料电池的关键组件之一，双极板占整个燃料电池重量的60%,成本的13%。其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。

双极板参数指标