應用故事 | 燃料電池氣體擴散層材料—碳紙的導熱性能測試

質子交換膜燃料電池(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、零排放等優點，是新型綠色能源的主要發展方向之一。

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

PEMFC燃料電池的的反應原理如圖1所示。PEMFC單電池由EMA（陽極、陰極和質子交換膜）和雙極板組成。陽極為氫燃料發生氧化的場所，陰極為氧化還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，一般采用鉑/炭或鉑/釕為電催化劑，質子交換膜為電解質，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入陽極和陰極，經氣體擴散層（圖中為碳紙）到達催化劑層和質子交換膜的界面，分別在催化劑的作用下發生氧化和還原反應。

在陽極，氫氣發生電化學反應生成氫離子和電子，其中氫離子通過質子交換膜傳導到陰極（質子交換膜的特有屬性使其只允許氫離子通過），電子通過外電路到達陰極，在陰極氫離子、電子和氧氣反應生成水。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：

1、 因GDL介于雙極板與觸媒層之間，電化學反應時，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材料充當氫氣/氧氣或者甲醇/空氣擴散至觸媒層反應的媒介，必須為多孔性透氣材料；

3、 GDL材料扮演電流傳導器，必須為高導電的材料；

4、 電池反應時為放熱反應，GDL材料必須為高導熱材料，及時散熱，避免因局部過熱導致的質子交換膜破損；

5、 GDL材料應具備高疏水性，避免電池反應生成的水對觸媒層造成破壞。

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

鑒于導熱性能是GDL材料的重要指標之一，因此本文通過耐馳閃光法導熱儀LFA 467對某碳紙樣品的導熱系數進行了測試。本測試中使用LFA467分別測試碳紙樣品的水平和垂直方向的熱擴散系數，使用DSC測試碳紙樣品的比熱。通過將樣品的熱擴散系數、比熱、密度三者相乘，得到樣品的導熱系數。

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）水平方向的導熱系數測試結果。該測試使用的支架為In-plane支架（圖3），可用于測試高導熱薄膜材料水平方向的熱擴散系數。可知該樣品在25oC和100oC時，水平方向的熱擴散系數分別為58.610 mm2/s、50.122 mm2/s，導熱系數分別為20.568 W/(m*K)、21.794 W/(m*K)。圖4為測試的溫升曲線，可以看出測試曲線（藍色）和擬合曲線（紅色）的擬合效果較好。

表1 碳紙樣品水平方向的導熱系數結果

圖4 碳紙樣品水平方向測試的溫升曲線

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

表2 碳紙樣品垂直方向的導熱系數結果

圖5 專用于薄膜厚度方向導熱測量的薄膜樣品支架

在質子交換膜燃料電池中，氣體擴散層作為膜電極的重要組成部分，其成本通常占據膜電極成本的20-25%。行業分析預計到2024年，全球氣體擴散層材料市場規模將達33.4億美元。碳紙作為氣體擴散層的首選材料，在我國的行業發展前景十分廣闊。導熱系數是碳紙的重要指標之一。通過耐馳的閃射法導熱儀LFA467及其In-plane支架和薄膜支架，可以準確、便捷地測試碳紙樣品水平和垂直方向的導熱性能。

作者

李金艷

耐馳儀器公司應用實驗室