南方科技大学教授、加拿大工程院院士王海江：气体扩散层介绍
摘要随着汽车的发展，要求膜的强度提高，纯粹的聚合物膜不能满足要求了，后来Gore公司发明了增强型的膜，主要是满足双向拉伸微孔膜，使得现在燃料电池功率密度大幅度提高。
作为燃料电池核心材料，气体扩散层、质子交换膜具有极高的技术壁垒，纵使国内燃料电池发展如火如荼，但核心材料依然主要依赖进口，国内能够量产的企业寥寥无几。这两款材料几乎形成了难以逾越的两座大山。
在一次公开论坛上，国内气体扩散层"领路人"南方科技大学教授、加拿大工程院院士王海江，及质子交换膜"领路人"上海交通大学化学化工学院教授张永明分别发表了演讲，解读技术、工艺开发及产业化进展。且看下文：
南方科技大学教授、加拿大工程院院士王海江
演讲要点：①不同量产规模情况下，气体扩散层占电堆成本比例情况；②气体扩散层材料的功能与选择；③用模拟方法优化气体扩散层的结构问题；④气体扩散层水管理研究；⑤气体扩散层工艺开发
气体扩散层是燃料电池电堆里面的一个核心材料，目前我国主要依靠进口。总体来说，气体扩散层是我们燃料电池技术发展里面一个"卡脖子"技术。我们必须要解决这样一个技术，南方科技大学氢能与燃料电池研究团队不辱使命，在过去两年多的发展里面，优化了燃料电池气体扩散层的结构，开发了气体扩散层的生产工艺，也实现了气体扩散层小批量生产。
关于气体扩散层在燃料电池电堆里面价格的分布，美国能源部按照现有的燃料电池技术做了一些计算。在小批量的时候，基本上价格占到21%，比质子交换膜还要贵一些；随着量的增加，气体扩散层的价格占比会减少一些，但即使到批量化的生产，它也占有一定的比例；当规模达到50万辆的时候，它还有6%的价格比例，所以气体扩散层对燃料电池的价格有非常大的影响。
如何有一个好的气体扩散层材料？首先要分析它在燃料电池里面所起的作用：首先第一个作用是传质的作用，它要把气体均匀的扩散到催化剂上进行反应，同时要把生成的水能够带出来。同时，燃料电池里面反应产生的热量也要通过气体扩散层带出去。另外，所产生的电流也要通过气体扩散层导到外面的电路，传质、传热、导电是气体扩散层在燃料电池里面主要的功能。同时它需要有一定的机械强度来支撑膜电极，这是气体扩散层的第四个功能。
因为有这样一个功能的要求，所以我们对气体扩散层的材料选择也是有一定的要求。首先它必须是多孔的介质，需要良好的导热性，有良好的导电性，同时有一定的机械强度。另外因为它在燃料电池里面工作，所以它需要有良好的化学稳定性。
正因为有这些要求，所以气体扩散层的材料选择并不是很多。早期有些人用金属网或者金属泡沫来做气体扩散层，但它的化学稳定性不高，所以后来基本上气体扩散层材料的选择只有两种，要么就是碳布，要么是碳纸。碳布的机械强度不是特别高，所以后来基本上所有的公司都是用碳纸作为气体扩散层。
现在材料基本上定下来了，材料的结构对气体扩散层的性能有非常大的影响。如何去解决气体扩散层结构的问题？我们团队首先在模拟计算这方面，多孔介质两相流动等等，我们用模拟方法来优化它的结构。
我们用一些现有的气体扩散层，用CT扫描的方法得到它的结构，再把它的这个结构放在计算机里面进行两相模拟，来优化这个气体扩散层的结构。有了这个模拟以后，再用试验来测量气体扩散层的一些性能。
气体扩散层最主要是气体在里面走，气体在多孔介质里面的扩散系数是决定在燃料电池里性能一个关键指标。我们用了一个做扩散系数的测量，有两个腔体，一个腔体里面放上氮气，一个腔体里面放上氧气，中间有一个球阀，等球阀打开的时候，氧气就会通过样品走到另外一个腔体里面，模拟另外一个腔体里面氧气的浓度，就可以计算出来氧气在多孔介质里面的扩散系数。有了扩散系数的测量，测量不同结构的样品，就能优化气体扩散层结构的性能。
另外一个研究就是气体扩散层里面水管理的研究，我们用了一个非常简单的方法，用一个类似于单电池的测试，但是这个单电池里面没有放一个正常的MEA，而是放了气体扩散层的样品和一个质子交换膜，阳极这一侧是水在里面流动，这个膜永远是完全润湿的。阴极这一侧按照不同的空气流量，在不同的空气流量下面来测量水从这里面走出来的速度，这样就得到水穿过气体扩散层的速度与空气流量之间的关系。
得到右下角这样一个图，从这个图里可以看到燃料电池里面水平衡的情况。在红色的虚线上面，水流过气体扩散层的速度特别大，就造成了燃料电池里面膜容易干的这种现象。在虚线的下侧，水走的速度比较小，这样的情况造成水淹的情况，有了这样一个测量以后，我们就可以计算出来什么样的气体扩散层在燃料电池里面的水管理是最为有效的。
我们有了这样一些研究之后，就可以确定气体扩散层的结构，然后进一步来开发气体扩散层的工艺。
气体扩散层的生产通过通用氢能公司来实现。在过去一年多的时间，通用氢能公司开发出来气体扩散层的生产线，目前产能一般情况下是10万平米，如果说三班倒的话，可以做到年产30万平米气体扩散层的生产能力。
（上图）中间上面这个表是气体扩散层的一些性能指标，这个指标和国外商业化的气体扩散层基本是非常类似的。中间下面这个图是气体扩散层在燃料电池里面的性能表现，可以看到我们的气体扩散层和国外的气体扩散层的性能基本上是一样的。这个曲线里面有一个特点，两个安培的时候，仍然没有看到有传质控制这样一种现象，所以它的好处，放在燃料电池电堆里面，如果操作点为1A/cm2的情况下，可以过载100%都没有问题
艾邦氢能产业链通讯录，目前有2200人加入，如亿华通、清极能源、氢蓝时代、雄韬、氢牛、氢璞、爱德曼、氢晨、喜马拉雅、明天氢能、康明斯、新源动力、巴拉德、现代汽车、神力科技、中船712等等，可以按照标签筛选，请点击下方关键词试试
资料下载：