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(wèn)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(guò)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(lái)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(wú)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(wèn)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(guò)多年積累，從燃料電池結(jié)構(gòu)入手，經(jīng)過(guò)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(wèn)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(guò)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(lái)，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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