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新型一體化GDL助氫燃料電池提升性能

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國(guó)際氫能展獲悉,如何加強(qiáng)對(duì)氫能的利用成為各國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn),其中,質(zhì)子交換膜燃料電池作為以氫氣為能源的能源轉(zhuǎn)換裝置,具有高效、環(huán)境友好、工作條件溫和等優(yōu)勢(shì),備受關(guān)注。

質(zhì)子交換膜燃料電池快速發(fā)展,但仍面臨氣體傳質(zhì)和水管理薄弱的問題,導(dǎo)致體積比功率較低。如何能在節(jié)約成本的情況下,進(jìn)一步提升電池性能?

9月25日,記者從中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所獲悉,該所周小春研究員團(tuán)隊(duì)利用激光雕刻技術(shù),以東麗碳紙為基材,設(shè)計(jì)制備了具有波形流道和微通道脊的新型一體化GDL(氣體擴(kuò)散層)。其具有豐富的多孔結(jié)構(gòu),具備優(yōu)異的氣體傳質(zhì)和水管理能力,可提升燃料電池的性能。近日,該成果論文發(fā)表在國(guó)際期刊《科學(xué)進(jìn)展》上。

提升燃料電池性能難在哪

質(zhì)子交換膜燃料電池即氫燃料電池,由流場(chǎng)板、氣體擴(kuò)散層、微孔層、催化層、質(zhì)子交換膜等組件構(gòu)成,可用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)三輪車等交通工具以及小型發(fā)電站等。

氣體擴(kuò)散層位于流場(chǎng)板和催化層之間,在燃料電池中起著導(dǎo)電、支撐膜電極、傳質(zhì)、水管理的作用。在質(zhì)子交換膜燃料電池工作中,反應(yīng)氣體經(jīng)氣體擴(kuò)散層傳遞到催化層,催化層生成的水經(jīng)由氣體擴(kuò)散層排出。而反應(yīng)氣體的傳質(zhì)和水的排出直接影響著膜電極性能,較差的氣體傳質(zhì)和水管理能力都會(huì)導(dǎo)致膜電極性能的降低。

為解決傳質(zhì)和水管理薄弱的難題,科學(xué)家曾通過改變流場(chǎng)板的流道結(jié)構(gòu),或者采用金屬泡沫、石墨烯泡沫取代傳統(tǒng)流場(chǎng)板等方法,來提高質(zhì)子交換膜燃料電池的傳質(zhì)能力,提升燃料電池性能。

然而,金屬泡沫以及石墨烯泡沫這種無流場(chǎng)結(jié)構(gòu)在高電流密度下仍會(huì)存在傳質(zhì)和水管理問題,進(jìn)而影響燃料電池的性能。因此,迫切需要新的方法解決這一難題。

新型一體化GDL“合二為一”

目前,氣體擴(kuò)散層通常由基底層和微孔層構(gòu)成,其中構(gòu)成基底層的材料一般是碳紙、碳布等。

周小春團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年積累,從燃料電池結(jié)構(gòu)入手,經(jīng)過不斷調(diào)試和優(yōu)化,最終以碳紙為基材,利用激光雕刻的方法在碳紙上制備出了流場(chǎng)結(jié)構(gòu),從而得到新型一體化GDL。這種新型一體化GDL將傳統(tǒng)質(zhì)子交換膜燃料電池中的流場(chǎng)板和氣體擴(kuò)散層的功能合二為一,能有效解決傳統(tǒng)燃料電池傳質(zhì)和水管理薄弱的問題。

團(tuán)隊(duì)成員、論文第一作者何燦介紹,與傳統(tǒng)燃料電池相比,新型一體化GDL具有3個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn):一是它簡(jiǎn)化了燃料電池的結(jié)構(gòu),將氣體擴(kuò)散層和流場(chǎng)板合為一體,使得GDL一個(gè)部件兼具兩種功能,降低了生產(chǎn)成本;二是具有較寬的濕度耐受性,應(yīng)用范圍更廣;三是新型一體化GDL具有波形流道和微通道脊的特殊結(jié)構(gòu),電池性能更高,它能在低倍壓的情況下達(dá)到甚至超過原先燃料電池在高倍壓下的性能,有望降低燃料電池系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)的能耗,從而提升燃料電池汽車的續(xù)航里程。

未來,團(tuán)隊(duì)希望能繼續(xù)在一體化GDL領(lǐng)域進(jìn)行深入研究,并將其廣泛應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池和其他能量轉(zhuǎn)換器件中。

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