燃料电池气体扩散层设计与选型
燃料电池气体扩散层设计与选型
作为膜电极的重要组成部件，气体扩散层的设计与选型需根据电堆水管理特性、极板尺寸、单体目标厚度等因素因地制宜。
气体扩散层(GDL)是一类疏水多孔介质材料，位置介于流场板和催化层，担
当水气输运、热量传递、电子传导的载体，并在装配和运行过程中提供结构支
撑。GDL通常由大孔基底层(Macroporoussubstrate:MPS)和微孔层(Microporous
layer:MPL)组成。其中，基底层通常由碳纤维各向异性堆叠组成，直接与流场板
接触；微孔层由碳基粉末和憎水剂混合而成，直接与催化层接触。
气体扩散层关键特性气体扩散层通常由多孔、非编织性和大孔结构的碳基材组成，基材经PTFE
疏水处理后，并涂覆有单层或多层微孔层(MPL)。一般，质子交换膜燃料电池用
气体扩散层材料应具有反应气扩散、产物水扩散传输、导电、导热和机械支撑等
关键特性。
反应气扩散气体扩散层的首要任务是传送反应气氢气和氧气，确保足够的反应物质快速和均匀扩散至催化层。因此，气体扩散层的孔径在一定范围内应足够大，且孔隙需具备足够的疏水特性以避免燃料电池的产物水阻塞孔道。产物水扩散与
传输
一方面，气体扩散层需有效将液态水自催化层移至流场板(或极板)，以避免
液态水阻塞反应物扩散通道引起传质极化增加。另一方面，排水特性需进行最佳
设计。排水能力过强，将导致质子膜过度干燥产生“脱水”现象，质子传导率下
降。
导电
气体扩散层材料导电能力高有助于降低电子传导过程中的欧姆损失。但调整气体扩散层的其他物理特性会影响到材料的导电特性，如：增加气体扩散层的孔隙率及PTFE含量时，通常导电率将下降。一般，碳基材料的导电特性可依据碳材料的热处理温度进行改善。导热
典型PEMFC单体温度分布
膜电极反应产生的热量需自气体扩散层传导至极板，同时需保持膜电极温度分布均匀。热量的局部累积将对电池的电极反应、质子膜欧姆损失、水挥发与冷凝产生直接影响。机械支撑在膜电极组件中，气体扩散层扮演着支撑CCM角色，即保护催化层和质子膜
作用。此外，气体扩散层的存在避免了流场板高强度面压对CCM的损伤、电池装
配过程中CCM浸入流场板引起的干扰传质和强度破坏等问题。
微孔层微孔层是一层由碳粉和PTFE组成的微孔隙结构。微孔层厚度和孔隙度对燃料电池性能有着重要影响。微孔层厚度直接影响产物水的传输速率、气体扩散层导电特性(接触电阻)以及机械强度(如微孔层表面粗糙度)。以下提供了一些基本的比较实验，方便使用者对微孔层设计和选型有基本的认知。产物水传输速率在微孔层载量比较实验中，保持碳颗粒大小和PTFE含量相同，在相同碳纸
基材上涂覆载量分别为10、30和60g/m2微孔层。实验使用50cm2单电池夹具(阳
极为双蛇形流道，阴极为三蛇形流道)，电池温度70℃，反应气背压12psig，
反应气化学计量比为2，分别测试干工况(＜30%RH)和湿工况(＞70%RH)电池性
能。
实验数据可以看到，增加微孔层载量对电池干工况下性能提升有益。由于较
厚微孔层可避免质子膜脱水干燥，且接触电阻较小，因此欧姆损失较小。但当微
孔层厚度较厚，可以看到在大电密放电区域(1.2A/cm2)发现极化曲线开始出现
了明显的传质限制现象。
不同载量微孔层干工况下性能对比
相反，湿工况下薄微孔层具有最优性能表现。因此，在设计和选型气体扩散
层时，水管理的平衡是个重要课题，既需足够的水分保持质子膜湿润，也要避
免水分积聚阻碍气体传输。
不同载量微孔层湿工况下性能对比接触电阻
实验中采用传输线法(TransmissionLineMethod)进行气体扩散层接触电阻研究，测试中将铜板放置在气体扩散层不同位置上测量其电阻。选用不同载量微孔层8、15、30、50g/m2进行测试，发现当微孔层载量为30g/m2，接触电阻已出现大幅下降。表示当微孔层载量提升时，气体扩散层表面较平坦。一般，当微孔层载量≤15g/m2时，接触电阻较大，欧姆阻抗较高。
MPL载量和接触电阻关系表面粗糙度改变微孔层载量从8至30g/m2，可发现微孔层表面粗糙度随之下降，这个结果和接触电阻相似。下图展示了不同载量微孔层对碳纤维基材的覆盖状态。在新一代车用电堆设计开发中，使用薄型化的气体扩散层是主流趋势，微孔层对碳纤维基材的覆盖状态也成为材料开发者关注的议题。如果微孔层载量减少至不足以完全覆盖基材纤维，则有可能发生纤维刺破质子膜现象。
MPL载量和表面粗糙度关系AvCarbGDSMB-30
AvCarbGDSMB-30产品是专为车载电堆开发的气体扩散层材料。通常，燃料电
池乘用车载电堆具备高功率(>80kW)，大电密(>2.5A/cm2)等特性，因此MB-30产
品从优化水热管理能力出发对结构进行专门设计和调整，精准控制微孔层的孔
隙率与孔径大小，使其适用于大功率FCV车载应用。这款产品自2010年发布后，
已成功应用于各类车型超过十年以上时间，产品寿命(耐久性)经过了实际长时间
验证。
MB-30特别适用于阴极高加湿工况(>70%RH)，并搭配使用车载电堆的窄型流
道板(单流道槽宽<1.2mm)。MB-30也可被应用在阳极，但因排水功能较强，在某
些工况条件下可能造成质子传导膜过度脱水现象。若发现此状况发生，建议可以
使用GDS3260作为阳极气体扩散层。经实际测试，使用阳极GDS3260/阴极MB-30
组合在2.5A/cm2电密下可输出超过0.5V电池性能。
极化曲线(阳AvCarbGDS3260/阴AvCarbMB-30)在部分主机厂测试中看到，在使用MB-30气体扩散层条件下，电堆可在超过
6A/cm2极限电流下操作，实际运行中也通过了超过35,000小时的连续运行验证，
展现其高耐久性。
燃料电池的结构
燃料电池的结构
燃料电池是利用氢气与氧气反应产生电能的装置，其结构相对较为简单，主要分为以下几个部分：电极、电解质层、气体扩散层、当前收集器、隔膜等。
1. 电极
燃料电池的电极由阳极和阴极组成，他们都需要有足够的电导率和电催化性能。阳极通常是由铂或其他贵金属制成，其主要的功能是将氢气转化成氢离子和电子，并且释放出电子，将氢气流向阴极。阴极也通常是由贵金属制成，其主要的功能是将氧分子分解成氧离子，接收来自阳极的电子，与氢离子结合形成水，释放出电子。
2. 电解质层
电解质层是阻止氢离子和氧离子在电极之间直接相互作用的层。在电解质层中，形成了电化学反应所必需的条件，利用加入需滋壤水的硫酸（固态质子传递体）来实现离子传递和电荷分离，同时它也能稳定电压，提高能量输出效率。
3. 气体扩散层
气体扩散层是位于电极和电解质膜之间的层，其主要作用是将氢气和氧气分别分布到阳、阴极的表面上，同时还要保证阴、阳极表面的均匀性，以确保电化学反应的正常进行。气体扩散层还要具有高导电性和高亲水性等特性，以确保电子和离子能够顺畅地在其表面传输。
4. 当前收集器
当前收集器通常位于电极的两侧，主要功能是将从阴、阳极产生的电流收集起来，形成整个燃料电池所产生的电流。当前收集器也能起到导热和冷却的作用，以确保燃料电池的运行稳定和安全。
5. 隔膜
隔膜的主要功能是隔开阳、阴极，以保证电化学反应正常进行，同时防止电解质膜被腐蚀。隔膜的选择要考虑到其导电性、稳定性、耐腐蚀性、可加工性等因素。
综上所述，燃料电池的结构主要包括电极、电解质层、气体扩散层、当前收集器、隔膜等组成部分。在实际应用中，不同类型的燃料电池具有各自不同的结构和特点，需要根据实际需求进行选择。
质子交换膜燃料电池的一维气体扩散模型研究
ｌ 訇 出
质子交换膜燃料电池的一维气体扩散模型研究
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅＩ ｏｆ ｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｇａｓ ｄｉ仃ｕｓｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ
ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ 杜新 ，马富存 ，王金龙
ＤＵ Ｘｉｎ’一。ＭＡ Ｆｕ—ｃｕｎ ，ＷＡＮＧ Ｊｉｎ—ｌｏｎｇ。
（１．吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春１３００２５；２．长春理工大学机电工程学院，长春１３００２２） 摘 要：目前对质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＩ＝Ｏ）的系统性能进行分析时，多采用集总参数模型。 它无 法体现电池内部结构对系统性能的影响。本文建立了ＰＥＭＦＣ沿膜厚方向的一维结构模型，通 过分析在电池阴、阳极的气体扩散规律，研究气源压力、温度对电池输出电压的影响。通过 与不同条件下的实验结果以及集总参数模型进行比较，本文的仿真结果更加符合实验结果， 适用范围更广，可为车用燃料电池的优化和控制提供可靠依据。 关键词：质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）；气体扩散层；传质模型；建模；仿真 中图分类号：ＴＭ９１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２０１４）０３（上）一００９５—０４ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／１．Ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１４．０３（上）．２９
０引言
质子交换膜燃料电池（ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ，ＰＥＭＦＣ）具有能量转化效率 高、环境友好、寿命长等特点，在未来的以氢作
为主要能量载体的氢能时代，被认为是最佳的动 力源ｎ】。ＰＥＭＦＣ的建模根据不同的研究目标和特
征尺度，可分为集总参数模型和多维模型。目
前，关于ＰＥＭＦＣ系统的性能分析多采用集总参数 模型，多维模型主要应用于ＰＥＭＦＣ单个组件的机
理研究。 集总参数模型建模简单，计算量小，适用于
ＰＥＭＦＣ的系统级建模，然而集总参数模型无法反 应出电池内部各组成单元对ＰＥＭＦＣ的影响，因此 依据集总参数模型仿真得到的ＰＥＭＦＣ的性能会与
气体扩散层碳纸的预处理__理论说明
气体扩散层碳纸的预处理 理论说明
1. 引言
1.1 概述
气体扩散层碳纸是一种在燃料电池中用于传输气体的重要材料。它被广泛应用于燃料电池系统中，起到连接电极和扩散反应物质的作用。然而，由于不同制备方法和工艺条件的影响，碳纸表面存在着一些杂质和缺陷，这些问题可能会影响其性能和使用寿命。因此，在气体扩散层碳纸实际应用之前，预处理过程需要被进行以提高其性能。
1.2 文章结构
本文将围绕气体扩散层碳纸的预处理展开研究与讨论。首先，在本章引言部分，我们将对文章的概述、结构以及目的进行阐述。其次，在第二章中，我们将详细介绍气体扩散层碳纸的定义、作用以及预处理的目的与重要性；同时还会探讨现有的预处理方法与原理。第三章将展示实验研究设计与材料准备，并就预处理前后气体扩散层碳纸性能进行对比分析；此外还会针对影响预处理效果的因素进行详细分析。第四章将探讨当前气体扩散层碳纸预处理技术的应用情况，并提出可能的改进与发展方向；最后，通过对未来研究的建议和展望，我们在第五章中得出结论，并总结主要观点和实验结果，同时对该领域未来发展趋势进行总结与展望。
1.3 目的
本文旨在探究气体扩散层碳纸的预处理方法，并对其原理进行详细说明。通过实验研究与分析结果，了解不同预处理方法对气体扩散层碳纸性能的影响，并分析影响预处理效果的因素。同时，我们还将评估当前气体扩散层碳纸预处理技术的应用情况，并提出可能的改进与发展方向。最后，在对未来研究建议和展望中，我们希望为进一步深入研究和应用气体扩散层碳纸预处理技术提供一些建议和启示。
2. 气体扩散层碳纸的预处理理论说明
2.1 气体扩散层碳纸的定义和作用
气体扩散层碳纸是一种重要的材料，被广泛应用于燃料电池等领域。它位于阳极和阴极之间，起到导电、承载催化剂和传递气体等功能。碳纸具有良好的导电性、疏水性和耐腐蚀性，可以有效减少氧气和燃料之间的阻抗，并提高反应速率。
2.2 预处理的目的与重要性
25_高温质子交换膜燃料电池研究
1 / 25 高温质子交换膜燃料电池研究
第一部分 高温质子交换膜燃料电池概述 ........................................................................... 2
第二部分 燃料电池工作原理分析 ....................................................................................... 5
第三部分 高温质子交换膜材料研究进展 ........................................................................... 6
第四部分 电极材料及其性能优化探讨 ............................................................................... 8
第五部分 反应动力学与扩散过程解析 ............................................................................. 10
第六部分 燃料电池系统设计与集成技术 ......................................................................... 13
第七部分 高温质子交换膜燃料电池的挑战与机遇 ......................................................... 14
第八部分 应用场景及商业化前景评估 ............................................................................. 16
第九部分 国内外研究现状与发展趋势 ............................................................................. 19
质子交换膜电解池阳极钛基气体扩散层研究进展
第41卷2024 年 3 月应用化学CHINESE JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRY第3期365⁃376
质子交换膜电解池阳极钛基气体扩散层研究进展
顾婷婷1 张科1 张心周1 刘阳1 孙伟才1 谭爱东2 刘建国2*
1（中钛国创（青岛）科技有限公司， 青岛 266111）2（华北电力大学， 北京 100054）
摘要 气体扩散层在质子交换膜（PEM）水电解池中有着支撑膜组件、供给反应水、移除气体产物以及降低欧姆电阻的重要作用。 PEM水电解池阳极区具有酸性、富氧且高电位的工作环境，对阳极区的气体扩散层具有严苛的要求。 气体扩散层结构特性、导电性与耐腐蚀性是决定其电化学性能的关键。 本文总结了可用于PEM电解池阳极气体扩散层的材料，简述了其结构特性对PEM电解池电化学性能的影响，分析了各种镀层材
料在提高气体扩散层的导电性、耐腐蚀性以及电解池阳极氧析出反应（OER）性能方面的作用。 最后，展望了气体扩散层在降低成本和提高电解池性能方面的研究趋势。关键词 质子交换膜水电解池；阳极气体扩散层；多孔钛；镀层材料中图分类号：O646 文献标识码：A 文章编号：1000-0518（2024）03-0365-12
随着时代的发展，传统的化石燃料已无法满足人类社会的能源需求，其使用过程中产生的大量CO2气体威胁着人类的生存环境，能源问题备受关注。 风能、太阳能、水能和地热能等新型清洁能源正
在迅速发展［1］。 然而，这些清洁能源大多具有间歇性的特点，容易受到时空的限制。 氢能是一种来源
丰富、绿色低碳和应用广泛的二次能源，有着能量密度高（140 MJ/kg）和环境友好的特点，正在逐步成
为全球能源转型发展的重要载体之一［2］。 电解水制氢技术将太阳能、风能等可再生能源转化的电能以
氢气为载体储存起来，再通过高压气态储运、低温液氢储运、金属储氢和掺氢天然气管道运输等方式转
运，最后利用燃料电池技术实现化学能和电能之间的高效转换，打破可再生能源时空分布不均匀的
pem电解槽气体扩散层 团体标准
Pem电解槽气体扩散层 团体标准
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在当今社会，清洁能源已成为重要议题。作为一种清洁能源的代表，燃料电池技术因其高效、环保的特点备受瞩目。其中，PEM（质子交换膜）燃料电池被广泛应用于汽车、航空航天和家用电力等领域。而作为PEM燃料电池的核心部件之一，气体扩散层具有至关重要的作用。本文将从深度和广度两方面，对PEM电解槽气体扩散层团体标准进行探讨。
1. PEM电解槽气体扩散层概述
PEM电解槽气体扩散层是PEM燃料电池的关键组成部分之一，位于阳极和阴极电极之间。它不仅可以传递氢气和氧气，还可以提供良好的电导性和化学稳定性。团体标准对其性能的要求是非常严格的，因为它直接影响到燃料电池的输出功率和稳定性。
2. PEM电解槽气体扩散层团体标准的意义
团体标准的制定是为了提高气体扩散层的性能，确保其在不同环境下的稳定性和可靠性。通过团体标准，可以约束生产厂家的生产工艺和原材料选用，进而提高产品的一致性和可比性。团体标准的实施还有利于促进行业内技术的进步和经验的共享。
3. PEM电解槽气体扩散层团体标准的内容和要求 根据团体标准的要求，PEM电解槽气体扩散层的性能将从以下几个方面进行评估：厚度、孔隙率、导电性、化学稳定性、耐久性等。标准还规定了测试方法、测试条件以及评定标准。
4. 个人观点与理解
从事燃料电池行业多年，我深切地理解PEM电解槽气体扩散层团体标准对整个产业链的重要性。团体标准的制定和实施，不仅有利于提高生产企业的竞争力，还有利于推动燃料电池技术的快速发展。在实际生产中，我发现PEM电解槽气体扩散层团体标准的执行程度与产品质量和性能息息相关。在未来的工作中，我将积极关注团体标准的更新和完善，努力为产业发展贡献自己的力量。
总结：PEM电解槽气体扩散层团体标准是保障燃料电池产业发展的关键环节，其制定和实施对行业的发展具有重要意义。通过本文对团体标准的深入探讨，相信读者对其重要性和意义已有了全面的了解，对我国燃料电池产业的发展也会有所助力。
质子交换膜燃料电池 气体扩散层
质子交换膜燃料电池 气体扩散层
气体扩散层是质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的一个重要组成部分。它位于阳极和阴极电极之间的气体侧，用于传递燃料气体和氧气气体到电极反应表面。
气体扩散层通常由多孔材料构成，例如碳纤维纸或碳纤维布。这些材料具有良好的导气性和导电性，以便气体能够顺利地在电池中流动。
气体扩散层的主要功能是促进燃料氧化反应和氧气还原反应的进行。它通过提供大量的孔隙结构和表面积，增加了燃料和氧气与催化剂之间的接触面积，从而提高了反应效率。
此外，气体扩散层还起到了液体水的传输和分布的作用。在PEMFC中，由于电化学反应产生的水分会堵塞气体扩散层的孔隙结构，从而降低气体的传输能力。因此，设计合适的气体扩散层对于确保燃料电池的长期稳定运行至关重要。
总之，气体扩散层在质子交换膜燃料电池中起着关键的作用，它促进了燃料和氧气的传输和反应，并有助于有效地管理液体水的产生和分布。