蘇州納米所周小春團(tuán)隊(duì)Adv. Sci：一種用于高功率密度PEMFC的具有波形流道和微通道脊的新型一體化GDL
氫氣具有高能量密度、燃燒熱量高、燃燒產(chǎn)物無污染等特點(diǎn)，被譽(yù)為二十一世紀(jì)的“終極能源”。質(zhì)子交換膜燃料電池是一種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)，受到人們廣泛關(guān)注。盡管質(zhì)子交換膜燃料電池近些年得到了快速發(fā)展，但是質(zhì)子交換膜燃料電池目前仍面臨著傳質(zhì)和水管理薄弱的問題，從而導(dǎo)致較低的峰值功率密度。一些科研工作者通過改變流場(chǎng)板的流道結(jié)構(gòu)，又或者采用金屬泡沫、石墨烯泡沫取代傳統(tǒng)流場(chǎng)板，以提高質(zhì)子交換膜燃料電池的傳質(zhì)能力，提升燃料電池性能。盡管金屬泡沫以及石墨烯泡沫這種無流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)傳質(zhì)，但是在高電流密度下仍會(huì)存在傳質(zhì)和水淹問題，這會(huì)極大的影響燃料電池的性能。
最近，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所周小春團(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。這種新型一體化GDL底部和脊具有豐富的多孔結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的氣體傳質(zhì)和水管理能力，可極大提升燃料電池的性能（圖1）。
圖1. 傳統(tǒng)流道、一體化GDL及新型一體化GDL示意圖
新型一體化GDL具有波形流道和微通道脊這種特殊結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的電池性能。可以使用低至0 kPa和50 kPa的空氣背壓，分別達(dá)到純氧條件下燃料電池性能的80%和90%，這可以極大的降低燃料電池系統(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。此外，新型一體化GDL還具有較寬的濕度耐受性，當(dāng)相對(duì)濕度從40%增加到100%時(shí)，燃料電池峰值功率密度始終保持在1.4 W cm-2（圖2）。
圖2. 新型一體化GDL與傳統(tǒng)流道下的電池性能比較。(a)一體化GDL和商業(yè)GDL在氫-空氣和氫-氧氣條件下的性能。(b)空壓機(jī)在不同背壓下的功耗估算。(c) 基于一體化GDL和商業(yè)GDL的燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程估算。(d)一體化GDL不同濕度下的極化曲線。(e)商用GDL在不同濕度下的極化曲線。(f) 一體化GDL和商用GDL的峰值功率密度與濕度的關(guān)系
為了比較新型一體化GDL與傳統(tǒng)流場(chǎng)的區(qū)別，研究者進(jìn)一步研究了兩者傳質(zhì)和水管理的差別。首先，傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)生的水在流場(chǎng)板與GDL接觸部分積累。其次，氣體在流場(chǎng)與催化層之間的傳質(zhì)是通過緩慢擴(kuò)散進(jìn)行。而該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備的一體化GDL正好可以完美解決這些問題。首先，具有微通道的多孔脊可以快速去除脊與雙極板界面的水。其次，由于制備的流道具有波形高低起伏的特點(diǎn)，氣體在流場(chǎng)與催化層之間以湍流形式進(jìn)行流動(dòng)，并且流動(dòng)方向不斷改變形成旋渦，這種流動(dòng)方式快速且溫和（圖3）。
圖3. 新型一體化GDL和商用GDL的傳質(zhì)機(jī)理
綜上，這項(xiàng)工作利用激光雕刻方式設(shè)計(jì)制備了一種具有波形流道以及微通道脊的新型一體化GDL，這種新型一體化GDL具有較好的氣體傳質(zhì)能力和水管理能力，在0 kPa和50 kPa的空氣背壓，分別達(dá)到純氧條件下燃料電池性能的80%和90%。在未來應(yīng)用到燃料電池系統(tǒng)中可極大的降低空壓機(jī)的功耗，并且進(jìn)一步提升燃料電池車的續(xù)航里程。
該工作為下一代燃料電池氣體擴(kuò)散層的設(shè)計(jì)提供了新的思路和指導(dǎo)。相關(guān)工作以A New Integrated GDL with Wavy Channel and Tunnelled Rib for High Power Density PEMFC at Low Back Pressure and Wide Humidity為題發(fā)表在Advanced Science期刊上，文章第一作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所博士研究生何燦，通訊作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所周小春研究員。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、蘇州碳達(dá)峰碳中和技術(shù)支持重點(diǎn)項(xiàng)目等資助，同時(shí)感謝中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X）提供的測(cè)試幫助。
附件下載：
