应用故事 | 燃料电池气体扩散层材料—碳纸的导热性能测试

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作为一种新兴的低温燃料电池，具有效率高、工作温度低、零排放等优点，是新型绿色能源的主要发展方向之一。

PEMFC的核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly, MEA)，EMA由两层气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)、两层催化层和一层质子交换膜组成。

PEMFC燃料电池的的反应原理如图1所示。PEMFC单电池由EMA（阳极、阴极和质子交换膜）和双极板组成。阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，一般采用铂/炭或铂/钌为电催化剂，质子交换膜为电解质，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。具有一定湿度和压力的氢气和氧气分别进入阳极和阴极，经气体扩散层（图中为碳纸）到达催化剂层和质子交换膜的界面，分别在催化剂的作用下发生氧化和还原反应。

在阳极，氢气发生电化学反应生成氢离子和电子，其中氢离子通过质子交换膜传导到阴极（质子交换膜的特有属性使其只允许氢离子通过），电子通过外电路到达阴极，在阴极氢离子、电子和氧气反应生成水。生成的水以水蒸气或冷凝水的形式随多余的氧气从阴极出口排出。

图1  燃料电池（包括膜电极和双极板）单电池示意图

气体扩散层位于膜电极的两端，是燃料电池的重要组件之一，其作用包括支撑质子交换膜、涂挂催化剂、连接膜电极与双极板等。GDL材料在性能上需具备以下几点：

1、 因GDL介于双极板与触媒层之间，电化学反应时，电流密度很高，存在高电腐蚀性，因此GDL材料必须具备抗腐蚀性；

2、 GDL材料充当氢气/氧气或者甲醇/空气扩散至触媒层反应的媒介，必须为多孔性透气材料；

3、 GDL材料扮演电流传导器，必须为高导电的材料；

4、 电池反应时为放热反应，GDL材料必须为高导热材料，及时散热，避免因局部过热导致的质子交换膜破损；

5、 GDL材料应具备高疏水性，避免电池反应生成的水对触媒层造成破坏。

碳纤维纸（简称碳纸）由短切碳纤维为原料制造而成，在微观上具有纤维多孔结构，可为气体及水的传导建立有效通道。同时，碳纸具有质量轻、表面平整、耐腐蚀、孔隙率均匀等优点。此外，具有高强度的碳纸可为PEMFC电池的安装和使用带来保障，起到稳定电极结构，提高电池的寿命。加之碳纸制造工艺成熟、性能稳定，因此，碳纸成为膜电极中气体扩散层材料的主流选择。碳纸作为气体扩散层的膜电极如图1所示。由于碳纸制备过程中存在纤维排列取向，因此碳纸本身具有各项异性。

鉴于导热性能是GDL材料的重要指标之一，因此本文通过耐驰闪光法导热仪LFA 467对某碳纸样品的导热系数进行了测试。本测试中使用LFA467分别测试碳纸样品的水平和垂直方向的热扩散系数，使用DSC测试碳纸样品的比热。通过将样品的热扩散系数、比热、密度三者相乘，得到样品的导热系数。

图2 碳纸样品照片

图3  In-Plane样品支架

表1是该碳纸样品（图2）水平方向的导热系数测试结果。该测试使用的支架为In-plane支架（图3），可用于测试高导热薄膜材料水平方向的热扩散系数。可知该样品在25ºC和100ºC时，水平方向的热扩散系数分别为58.610 mm2/s、50.122 mm2/s，导热系数分别为20.568 W/(m*K)、21.794 W/(m*K)。图4为测试的温升曲线，可以看出测试曲线（蓝色）和拟合曲线（红色）的拟合效果较好。

表1 碳纸样品水平方向的导热系数结果

图4 碳纸样品水平方向测试的温升曲线

表2是该碳纸样品垂直方向的导热系数测试结果。该测试使用的支架为薄膜样品支架（图5），可用于测试薄膜样品垂直方向的热扩散系数。由结果可知，该样品在25ºC和100ºC时，垂直方向的热扩散系数分别为7.902 mm2/s、6.382 mm2/s，导热系数分别为2.773 W/(m*K)、2.775 W/(m*K)。样品水平方向的导热系数明显高于垂直方向，具有明显的各项异性。因样品为纤维多孔结构，垂直方向测试时存在一定程度的透光，因此结果计算时，采用透明模型。

表2 碳纸样品垂直方向的导热系数结果

图5 专用于薄膜厚度方向导热测量的薄膜样品支架

在质子交换膜燃料电池中，气体扩散层作为膜电极的重要组成部分，其成本通常占据膜电极成本的20-25%。行业分析预计到2024年，全球气体扩散层材料市场规模将达33.4亿美元。碳纸作为气体扩散层的首选材料，在我国的行业发展前景十分广阔。导热系数是碳纸的重要指标之一。通过耐驰的闪射法导热仪LFA467及其In-plane支架和薄膜支架，可以准确、便捷地测试碳纸样品水平和垂直方向的导热性能。

作者

李金艳

耐驰仪器公司应用实验室