国内氢燃料电池气体扩散层GDL研究进展

膜电极压缩对HT-PEM燃料电池性能的影响吕强;孙红;向培勇【摘要】膜电极(MEA)的压缩率对高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)的性能具有重要影响.实验中采用相同厚度的MEA和5种不同厚度的垫片,在最大预紧力下,自行组装了5种HT-PEMFCo实验测试了HT-PEMFC的性能曲线和交流阻抗特性曲线,分析了燃料电池安装时的压缩率和电池温度对其伏安特性和交流阻抗特性的影响.实验结果表明HT-PEMFC的性能随电池温度升高而提高;MEA压缩率为20.8％的HT-PEMFC性能明显优于其他压缩率的电池性能.实验结果对HT-PEMFC操作参数优化和实际应用具有重要价值.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2014(038)004【总页数】4页(P651-654)【关键词】质子交换膜;燃料电池;电流密度;膜电极【作者】吕强;孙红;向培勇【作者单位】沈阳建筑大学交通与机械工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学交通与机械工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学交通与机械工程学院,辽宁沈阳110168【正文语种】中文【中图分类】TM911.4质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效的、对环境友好的发电装置，是新一代绿色能源动力系统，有助于解决能源危机和环境污染等问题。

传统的质子交换膜燃料电池工作温度为80℃，低于水的沸点温度，对于燃料电池水管理和热管理的要求相对较高。

相比而言，HT-PEMFC工作温度在120℃以上，具有更简化的水管理和热管理[1]，对燃料纯度的要求也相对较低，是PEMFC一个重要的发展方向。

目前，在HT-PEMFC研究方面，国内主要集中在流道结构、催化剂，以及将各种无机物掺杂于聚合物膜中来研究高性能复合膜。

杨洋、陈壁峰等人[2]对HT-PEMFC的流场结构进行了设计与优化，认为常温燃料电池流场设计准则难以在高温燃料电池中应用。

刘欣等人[3]分析了HT-PEMFC性能降低的主要原因，并提出了一种新型的耐久性更高的催化剂。

燃料电池背压燃料电池是一种新型的能源转换技术，它可以将化学能转化为电能，具有高效、环保、可再生等优点。

然而，在燃料电池的实际应用中，背压问题一直是制约其发展的重要因素之一。

一、什么是燃料电池背压？燃料电池的工作原理是将氢气和氧气在电极上催化反应，产生电能和水。

在这个过程中，氢气和氧气需要通过电极上的气体扩散层（GDL）进入反应层，而GDL的孔隙度和厚度会影响气体的扩散速度和压力。

当气体在GDL中扩散时，会受到GDL孔隙度和厚度的限制，从而形成一定的背压。

二、燃料电池背压的影响燃料电池背压会影响燃料电池的输出功率和效率。

当背压增加时，氢气和氧气的扩散速度会减慢，反应层中的气体浓度会降低，从而导致电池输出功率下降。

此外，背压还会增加电池内部的压力，使得电池的工作温度升高，从而影响电池的寿命和稳定性。

三、如何降低燃料电池背压？为了降低燃料电池的背压，可以采取以下措施：1. 优化GDL的孔隙度和厚度，使得气体在GDL中的扩散速度更快，从而降低背压。

2. 采用更高效的催化剂，提高反应速率，从而减少气体在反应层中停留的时间，降低背压。

3. 优化电池的设计，减少电池内部的压力，从而降低背压。

4. 控制电池的工作温度，避免过高的温度导致背压增加。

四、结语燃料电池是一种具有广阔应用前景的新型能源技术，但是在实际应用中，燃料电池背压问题一直是制约其发展的重要因素之一。

通过优化GDL的孔隙度和厚度、采用更高效的催化剂、优化电池的设计和控制电池的工作温度等措施，可以有效地降低燃料电池的背压，提高其输出功率和效率，推动其在能源领域的广泛应用。

NEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车时代汽车 中国氢燃料电池汽车技术发展现状及前景黄亚娟广汽研究院　广东省广州市　511434摘 要： 氢燃料电池汽车是我国新能源汽车产业一条重要的技术路线，由于部分核心技术、成本、产业链、基础设施等诸多问题尚未解决，严重限制了氢燃料电池汽车的发展与推广前景。

基于此，以下首先对氢燃料电池技术原理与应用展开阐述，其次研究国内外现状，探讨中国氢燃料电池行业和技术发展趋势，以供参考。

关键词：氢燃料电池汽车技术；发展现状；发展前景1　前言氢燃料电池汽车技术由于其清洁无污染、续航里程长、加注时间短等优势，各国都在开展相关技术的研究，我国在氢燃料电池汽车研究方面与国外尚有较大差距。

因此，研究氢燃料电池汽车的技术原理、行业现状、发展趋势，对我国氢燃料电池汽车技术发展具有重要意义。

2　氢燃料电池核心技术原理与主要应用2.1　核心原理所谓氢燃料电池技术，是指将燃料之中蕴含的化学能由电化学变成电能的一种发电设备[1]。

单体电池结构由燃料、氧化剂两种正负电极、电解质构成，其中电解质两侧具有两个隔膜，可以分别起到氢氧化、氢还原两种反应，再由电子经过外负载时形成电力能源。

此技术具有热机与电池两方面优点，不仅转换速度快，污染小，无噪音，还能在低温情况下工作。

如果仅将氢气作为燃料，通过化学反应得到水，可实现零排放。

而且氢气变水主要原理为放热反应，在转换过程中形成蒸汽与热水，除了供应电力能源，还能起到供暖效果。

氢燃料电池被认为是未来清洁环保的理想技术，是终极新能源动力解决方案。

从理论上讲，燃料电池在转换能量过程中效率几乎可达90％左右，但在实践过程中受多种因素影响，现阶段燃料电池实际能量转换效率基本在50％左右。

常用的燃料电池按其电解质不同，可分为：PEMFC（质子交换膜）、SOFC（固体氧化物）、MCFC（熔融碳酸盐）、AFC（碱性）及PAFC（磷酸）等。

其中质子交换膜燃料电池因操作温度低、启动速度快，是一种环保、高效与高功率密度的发电方式，广泛适用于各个领域，包括交通、备电和移动设备领域，特别是在零排放交通动力应用方面具有极其诱人的前景；其他几种燃料电池技术应用领域相对单一，例如：MCFC和PAFC适用于固定式燃料电池电站、家用热电联产；SOFC主要用于固定式和便携式电源；甲醇重整燃料电池（DMFC）多用于移动设备、小型交通工具和小型备用电源设施。

燃料电池双极板流场研究现状与分析摘要：燃料电池对于解决环境污染、能源危机具有十分重要的意义。

本文首先介绍了几种比较常见的燃料电池双极板类型，简要指出各种类型的不足,以期对流场板及电堆的设计起到参考作用；最后分析了最新流道研究进展，旨在为进一步的后续工作有所启示和帮助。

关键词：膜燃料电池；双极板；流道；进展1直通道流道直通道流道是一种适应于低压燃料电池的流道，结构简单且易加工，由于流道短的特点，反应气存留在流道的时间也短，不利于反应气到达催化剂层发生电化学反应，在阴极产生的水因不能顺利排出极易出现“水堵”，图1为直通道流道示意图。

图1 直通道流道板2蛇形流道如图2所示为蛇形流道，其优点主要体现在反应气流量大和流道长，有利于反应气渗透到催化层，又因其流速大的特点，产生的水易排出。

缺点主要有气体压降大，不利于催化剂的充分利用和气体分布的均匀性。

图2 蛇形流道3交指型流道交指形流道结构（图3）通过强制对流，迫使氢气、氧气和水蒸气达到扩散层。

并且，在水管理方面也要比其它流道的设计处理的更好。

但是，正因为采用强制对流的方法，导致了非常明显的压降损耗。

图 3 交指型流道4变截面直流道图4是两种变截面直通流道，图4（b）是图4（a）的一种优化改进流道。

这两种流道分别从宽度和深度交替变化，是反应气体在流动过程中更流畅。

但是这也极大地增加了加工的难度，提高了加工成本。

（a）变截面流道基本结构（b）优化后结构图4 流道截面循环变化型流道5新型流道除了最常见的直通道、蛇形、交指型等流场，点状流场和网状流场也有部分研究，还有不断开发的新型流场如基于仿生学的仿生流场、螺旋流场等。

2014 年末，日本丰田推出燃料电池车“MIRAI”，同时也出现了一种新的流场板设计，即创新型的阴极流场——三维细网格结构流场，其结构如图所示。

（a）（b）图5三维细网格结构流场结论通过对以上各种流道形状以及优劣点的分析和研究，每种流道都具有其他流道所不能比拟的长处，现目前的流道，没有哪一种流道能够涵盖所有流道的优点。

燃料电池汽车产业链概览在氢燃料电池产业链中，上游是氢气的制取、运输和储藏，在加氢站对氢燃料电池系统进行氢气的加注；中游电堆等关键零部件的生产，将电堆和配件两大部分进行集成，形成氢燃料电池系统；在下游应用层面，主要有交通运输、便携式电源和固定式电源三个方向；消费终端为料电池汽车生产、销售环节。

燃料电池电堆燃料电池电堆是燃料电池汽车产业的心脏，成本占据燃料电池系统成本60%以上，且技术门槛较高。

燃料电池电堆主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层、双极板，以及其他结构件如密封件、端板和集流板等组成。

国内燃料电池电堆产业链初成雏形，上游厂商齐全，膜电极、质子交换膜和双极板具备国产化能力，气体扩散层有小批量供应，催化剂具备研发能力。

相比国外燃料电池电堆，国内电堆在核心材料缺乏与关键技术方面仍存在短板，也是燃料电池电堆成本居高不下的主要原因，因此当前降低电堆成本仍是燃料电池汽车商业化的关键。

燃料电池结构：膜电极、双极板堆叠形成电堆双极板：电堆中的“骨架”双极板是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。

其性能优劣将直接影响电堆的体积、输出功率和寿命。

双极板按材料主要分为石墨板、金属板、复合板。

目前国内以石墨板为主，金属板为未来主流技术。

商用车倾向配备石墨板，乘用车因空间要求高配备金属板。

石墨双极板石墨双极板是目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)中应用最广泛的材料，具有较好的导电导热性，耐腐蚀性等，常用于商用车领域。

石墨板目前在技术、商业化层面均已成熟且占据大量市场份额，成本难以进一步降低，行业发展，需等待上游石墨材料技术升级带来成本降低激发需求。

常用石墨双极板厚度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。

石墨双极板技术壁垒较低，国外代表企业有美国Poco、加拿大Ballard 等；国内技术已达国际一流水平，代表性企业有上海神力（亿华通子公司）、上海弘枫、淄博联强、上海弘竣和国鸿氢能等，其中上海弘枫产品已实现海外出口；国鸿氢能石墨双极板技术成熟、可批量和定制化生产。