气体扩散层

摘要： 以短切炭纤维为原料,采用湿法成纸技术制备具有不同面密度的炭纤维毡片,再经双层和多层铺叠成形、树脂浸渍和热处理,获得具有梯度孔结构的炭纤维纸,用扫描电镜观察各层的孔隙结构,采用压汞法分析炭纤维纸的孔隙度和孔径分布,应用多孔分析仪测试炭纤维纸的透气率。结果表明,炭纸具有梯度层级结构,石墨化度达到93.14%,多层炭纸的平均孔隙率为75.5%,双层炭纸的平均孔隙率为81.4%。多层炭纸的透气率为5272 m/(kPa·h)、面内电阻率为11.78 mΩ·cm、抗拉强度和抗弯强度分别为20.62 MPa和60.88 MPa,均优于商业炭纸。此外,梯度孔结构炭纸在酸性介质中表现出优于商业炭纸的耐腐蚀性能。

摘要： 质子交换膜燃料电池气体扩散层(GDL)内部纤维孔隙特性对GDL液态水传递能力,以至电池的性能和寿命都有重要影响。本文中基于流体体积法建立了能捕捉液态水穿过GDL纤维孔隙运动行为的气液两相模型,分析了GDL纤维的孔隙率、形状、间距纵横比和接触角对GDL内液态水传递的影响。结果表明,GDL纤维间距的纵横比通过影响横、纵向的毛细力来决定液态水的运动方向,沿纵向增大接触角能加速液态水的爬升,从而明显提升GDL的排水能力。

摘要： 通过离线加速实验对气体扩散层进行了不同时间的电化学腐蚀,并且利用极限电流密度来评估电化学腐蚀对气体扩散层氧气传输阻力的影响。结果表明,经过电化学腐蚀后,气体扩散层的干区明显变窄,氧传质阻力显著增大,在相对压力为150 kPa、氧摩尔分数为21%时,经过48 h和72 h电化学腐蚀的气体扩散层的氧传质阻力分别约增大了61.82 s/m、95.62 s/m。采用扫描电镜研究了气体扩散层的形貌变化,通过接触角的变化分析了加速电化学腐蚀后气体扩散层水管理能力下降的原因。

摘要： 气体扩散层(GDL)是燃料电池膜电极组件中的核心材料之一,在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体、排出反应产物水等重要作用。影响GDL材料性能发挥的因素很多,厚度、石墨化程度、孔径大小与孔径分布、亲疏水性等参数都会直接影响GDL的水气传输和导电导热性能。本文主要针对GDL厚度这一较为宏观的结构参数,分析其对电池性能影响的内在机制,并综述了国内外研究现状。

摘要： 质子交换膜燃料电池具有高效清洁等优势,是一种潜力巨大的绿色能源技术。数学模型作为一种合理可靠的工具,通过模拟电池内部的电化学传热传质过程,研究运行参数和结构参数对电池性能和寿命的影响,可以指导电池的优化设计。本文综述了近年来燃料电池催化层、气体扩散层和流道的研究模型,整理了各部件建模的影响因素和优化方法,以期对燃料电池建模以及电池各部件的优化设计起到参考作用。文中指出,考虑到现在仿真存在的局限性,未来主要研究方向为燃料电池系统研究与机理模型的结合、催化层微观结构的建模、非贵金属催化剂建模、气体扩散层衰减模型研究、大面积流道模型、三维模型温度分布研究以及全尺寸质子交换膜燃料电池模型的开发。

摘要： 气体扩散层(GDL)是燃料电池的重要组成部分,一般是以碳纸为材料的一种多孔介质,其内部结构在一定尺度范围内表现出分形特征。本工作基于分形理论、菲克定律、气体扩散层表面特性和气液两相流动规律建立了关于气体扩散系数的分形模型。研究结果表明:有效扩散系数与面积分形维数、孔隙率成正比,与迂曲度分形维数、液相饱和度成反比。通过比较模型预测的气体有效扩散系数与已有实验数据发现,气体扩散层的表面特性即亲水性和疏水性对扩散系数的影响较大,在较低液相饱和度情况下,经过疏水处理的扩散层的气体扩散性能明显优于亲水扩散层。新建立的气体扩散系数模型可准确描述气体扩散层中的扩散规律,对气体扩散层的设计具有一定的指导意义。

摘要： 质子交换膜燃料电池是一种高效清洁的发电技术,具有反应动力学快、启动温度低等特点。目前质子交换膜燃料电池技术发展迅速,有望得到广泛推广和普及。本文从质子交换膜燃料电池核心组件出发,对近年来质子交换膜燃料电池的发展进行了简要概述。从材料出发,对核心组件进行分类,详细介绍了质子交换膜、催化剂以及气体扩散层的研究现状和技术特点,综述了各组件的研究方法、改进方法以及研究进展,展望了质子交换膜燃料电池的研究方向和未来发展趋势。基于高温环境下的各种优势,具有短侧链、低当量的且适用于高温低湿环境的质子交换膜仍将是重点研究对象。质子交换膜燃料电池将进一步向低Pt甚至无Pt方向发展,同时未来将实现无增湿条件下的水平衡。

摘要： 燃料电池是一种非常有前景的新能源体系。燃料电池不使用热力发动机,利用电极和电解质界面发生的化学反应直接将燃料的化学能转换成电能,反应不受卡诺循环限制,因此,具有高的能量转换效率。在燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)在便携式设备、交通运输以及固定装置领域具有重要的应用前景。然而,目前的PEMFC还存在一些问题,主要包括高成本、功率不足、稳定性差等问题,限制了其大规模商业化应用。这些问题的根本原因在于PEMFC中阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料的成本和性能还不能满足PEMFC商业化的要求。要实现PEMFC的大规模应用,需要开发先进的阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料。针对PEMFC对低成本、高性能先进材料的需求,本文综述了阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料的研究进展以及应用面临的问题,并指出了未来的发展方向:加强铂合金催化剂以及金属-氮-碳(M-N-C)化合物催化剂的规模化制备工艺的探索;制备兼具高质子传导率和优异力学性能的质子交换膜;详细研究改性气体扩散层在不同的工况条件下对PEMFC性能的影响;开发具有优良耐蚀性和导电性的涂层或新型金属材料用于双极板。

摘要： 车用燃料电池系统成本的不断降低和电堆耐久性能的提高促进了燃料电池汽车的快速发展.燃料电池堆是车用燃料电池系统的核心单元,电催化剂、质子交换膜和气体扩散层是制造燃料电池堆的基本材料,决定了电堆的成本和耐久性能.本文从应用角度对国内外电催化剂、质子交换膜和气体扩散层制造技术的应用发展进行了回顾,分析了国内发展燃料电池电催化剂、质子交换膜和气体扩散层制造技术的重要性和国内产业化水平落后的原因,提出了发展的建议,为这些关键材料加快国产化提供参考,以期尽快提高国产燃料电池堆耐久性能、降低制造成本.

摘要： 气体扩散层(GDL)是燃料电池(FCs)膜电极组件(MEA)的重要组成部分,起到支撑催化层、收集电流、对物料进行传输及再分配的作用.传统的扩散层一般以炭纸或炭布为基底,但炭纸价格昂贵、缺乏柔韧性、孔结构单一,为了更好地进行气液相管理,需再涂覆上一层微孔层(MPL).本文以炭纤维(CF)为骨架,复合多壁碳纳米管(MW-CNT),并添加一定量的聚四氟乙烯(PTFE)作为粘结剂和憎水剂,通过减压抽滤成型法一步制成新型一体式气体扩散层(GDL/CNT-CF).扫描电子显微镜(SEM)结合导电性、气体渗透性及孔隙率等表征表明,一体式扩散层中高导电性的碳纳米管在炭纤维中呈梯度分布,亦利于电子传输,形成的多级孔隙结构,亦利于物料分配,均匀分布的PTFE有助于水分排除,从而取代了由炭纸和微孔层构成的传统扩散层.将其应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)的阴极或同时作为阴阳极扩散层时,具有优异的传质性能,单电池的最大功率密度相比商品扩散层分别提高了20％ 和35％.

摘要： 从多尺度讨论碳纸型气体扩散层(GDL)微观结构对传输性能的影响.首先,由X射线断层扫描仪碳纸型气体扩散层微观结构的二维切片,通过图像处理得到碳纸三维数字图像.其次,计算分析了碳纸的2个重要传输特性:渗透率和迂曲度.结果表明:随着图像尺度变大,渗透率和迂曲度逐渐减小;20％尺度比例的图像与100％相比,所得图像孔隙结构较为清晰、液态水流速分布较为完整.

摘要： 为研究质子交换膜燃料电池(PEMFC)气体扩散层(GDL)微观尺度下承受装配力压缩后的应力和位移分布,应用随机重构技术和有限元方法(FEM),考虑碳纤维在压缩过程中的动态接触、摩擦运动和挤压变形,重构了气体扩散层微观结构,研究了气体扩散层碳纤维受不同压缩比微观结构在X、Y和Z方向上应力分布和位移分布,并探究了碳纤维不同摩擦系数和材料参数对压缩后位移分布的影响.结果表明:碳纤维受压缩后在Z方向位移更明显,流道下的碳纤维翘起后侵入流道;碳纤维受到的压缩应力多集中在100kPa以内,最大值为1063.7kPa;碳纤维材料参数对压缩位移影响不明显,但摩擦系数越大,压缩位移越大.

摘要： 质子交换膜燃料电池（PEMFC）气体扩散层（GDL）具有各向异性属性，常规数值模拟对GDL采取均匀模型，在各个方向采用相同的传递系数，忽略了各向异性传递过程对PEMFC性能的影响。本文发展了一个三维非等温单相模型，在GDL平面内和GDL厚度方向采用不同的传递系数，模拟了各向异性传递系数对PEMFC整体和局部性能的影响。在本文计算条件下,GDL各向异性和均匀模型模拟得到的电池极化曲线几乎完全相同，但电池电流密度分布和温度分布等局部特性存在很大差异。

摘要： 本文第一部分研究了液态水在气体扩散层内部和气体扩散层/气体通道界面处的行为特性。本部分研究液态水在气体通道中的传输过程。重点研究气体扩散层表面粗糙度和表面润湿特性对液态水运动和分布的影响。

摘要： 本文详细研究了质子交换膜燃料电池中液态水从气体扩散层到气体通道并最终被排出电池的过程。在气体扩散层（疏水）内部：与其它力相比，毛细力在液态水运动过程中占主导地位；液态水优先进入孔隙最大的孔；液态水的传输机制为毛细指进。在气体扩散层（疏水）/气体通道界面处：液态水的界面行为对液态水在气体扩散层内部的传输过程影响很大。本文第二部分介绍液态水在气体通道中的传输过程。

摘要： 质子交换膜燃料电池由于其功率密度高、零污染、启动快等优点,被认为是未来理想的能源转换装置.双极板作为关键组件,在燃料电池的运行中承担着关键作用.其中,金属双极板在机械性能、热传导性,功率密度和制造成本等方面的优势,使其成为传统石墨双极板的最有效替代者.然而,在金属双极板的制造过程中,冲压成形造成的回弹以及焊接过程中的热应力,使最终的双极板不可避免地出现形状误差.本文通过接触压力波动分析和响应面方法建立了形状误差和气体扩散层(GDL)表面接触压力分布之间的关系.采用304SS超薄板制造了金属双极板,并且建立了形状误差的评价方法.对两种不同的极板样品和GDL进行了电堆装配,研究了装配压力、极板面积、形状误差等关键装配参数.最后,建立了响应面模型分析形状误差影响下的GDL表面接触压力分布.本研究方法有助于理解形状误差带来的装配影响,并且可有效预测可接受的最大装配误差.基于建立的模型,本文给出了金属双极板制造过程中的形状误差控制标准.

摘要： 本文介绍了碳纤维纸的国内外研究现状及生产工艺,同时对碳纤维纸生产过程中遇到的问题及改进方法进行了阐述.文章也对燃料电池的发展前景以及其气体扩散层专用碳纤维纸的特点进行了阐述.

摘要： 本文指出了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的一类经典模型中对于气体扩散层（GDL）中气体质量传输的建模错误。基于机理分析，建立了质子交换膜燃料电池的参数化稳态模型。该模型通过通量平衡计算流场沟道中各组分气体的摩尔分数；并通过多元气体扩散方程得到气体扩散层中反应气体的摩尔分数，进而求得催化层中反应气体的分压和浓度；从而建立了包含5个待辨识参数的电压输出方程，辨识参数不包含温度、压强等外界操作条件，保证了模型的通用性。且这些待辨识参数可基于实验数据通过最小二乘方法来辨识得到。实验结果表明，该模型具有很好的拟合效果和泛化能力。

摘要： 质子交换膜燃料电池扩散层的水管理十分关键,水传递实验对指导微观模型的建立意义重大.通过对离线实验台的搭建,进行了水蒸气在扩散层(碳纸)内的传递实验.观测了水汽突破现象,分析其传递机理并与液态水突破机理比较.通过碳纸内水汽的凝结实验得到PTFE载量及MPL对扩散层内水传递及传质极化的影响.

摘要： 气体扩散层的孔隙率、透气率等因素对燃料电池的性能有着非常重要的影响。传统的气体扩散层的制备中应用聚四氟乙烯（PTFE）作为胶粘剂，本文尝试采用偏氟乙烯六氟丙烯共聚体（PVDF-HFP）作为胶粘剂对支撑层进行疏水处理。采用PVDF-HFP是因为其是一种半结晶的高聚物，晶相使其耐高温，非晶相则增加柔韧性，具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性。对制备的样品进行表面形貌、疏水性、孔隙率等性能进行表征，并测试了电池性能。实验结果表明，在一定条件下，PVDF-HFP处理的支撑层制备出的气体扩散层对燃料电池性能有一定提高。

摘要： 本发明公开了双功能微孔层式气体扩散层的制备方法、气体扩散层及催化电极；气体扩散层制备包括：过渡金属离子与碳氮复合材料制备，配制浆料，制备微孔层前驱体，微孔层烧结制成双功能微孔层式气体扩散层。本发明直接在支撑层上制备包覆非贵金属的高氮化的碳材料作为双功能微孔层式气体扩散层，制备过程添加含氮量很高的碳源，经高温处理，能够增加材料的粗糙度和疏水性，进一步提高气体扩散层的疏水性能；同时这一材料含有的非贵金属、碳、氮组成的体系本身作为活性组分，与铂基催化层一起做成催化电极，有助于进一步提升电极性能；本发明方法在支撑层上先涂敷含过渡金属、碳源、氮源的前驱体，再把MPL的烧结和MNC的制备合二为一，简化了制造工艺。

摘要： 本发明提供能够实现在作为基底层的气体扩散层中兼顾平滑性与通气性以及排水性的、在碳纸形成气体扩散层的方法以及燃料电池所用的形成有气体扩散层的碳纸，燃料电池所用的在碳纸(CP)形成气体扩散层(L2)的方法具有：在碳纸(CP)的表面形成疏水层(L1)的工序；在疏水层(L1)形成龟裂(CR)的工序；以及在形成有龟裂(CR)的疏水层(L1)之上形成气体扩散层(L2)的工序。

摘要： 本发明涉及一种气体扩散层，该气体扩散层包括至少两个相互作用连接的功能区域(2a，2b)，其中第一功能区域(2a)具有多孔结构，而第二功能区域(2b)设计成稳定区。这种气体扩散层实现这样的目的，即，提供一种系统，该系统可以在优化燃料电池效率的情况下实现燃料电池毫无问题的运行。此外，本发明还涉及一种包含两个气体扩散层的布置结构和一种用于制造气体扩散层的方法，所述布置结构和方法也可实现所述目的。

摘要： 本发明公开了双功能微孔层式气体扩散层的制备方法、气体扩散层及催化电极；气体扩散层制备包括：过渡金属离子与碳氮复合材料制备，配制浆料，制备微孔层前驱体，微孔层烧结制成双功能微孔层式气体扩散层。本发明直接在支撑层上制备包覆非贵金属的高氮化的碳材料作为双功能微孔层式气体扩散层，制备过程添加含氮量很高的碳源，经高温处理，能够增加材料的粗糙度和疏水性，进一步提高气体扩散层的疏水性能；同时这一材料含有的非贵金属、碳、氮组成的体系本身作为活性组分，与铂基催化层一起做成催化电极，有助于进一步提升电极性能；本发明方法在支撑层上先涂敷含过渡金属、碳源、氮源的前驱体，再把MPL的烧结和MNC的制备合二为一，简化了制造工艺。

摘要： 本发明特别涉及一种气体扩散层的制备方法及气体扩散层，属于质子交换膜燃料电池技术领域。一种气体扩散层的制备方法，包括将导电炭黑、憎水剂、分散剂以及抗冰剂混合，得到微孔层浆料；得到碳纸基底；将微孔层浆料涂覆于碳纸基底表面并干燥，而后于惰性气氛中热处理，得到气体扩散层。该方法制备得到的气体扩散层的微孔层中存在的微米结构具有连续三维孔状骨架，且具有较大的比表面积、大量中孔等结构特点，这些结构使得气体扩散层能够稳定吸附空气，在材料表面充满空气，降低了材料表面的自由能，使得气体扩散层具有优异的疏水以及抗冰能力。

摘要： 本申请提供了提供气体扩散层的制备方法、气体扩散层及燃料电池，气体扩散层的制备方法包括如下步骤：提供气体扩散层基底，在所述气体扩散层基底上制备高分子材料；将所述气体扩散层基底在惰性气体氛围下退火；对所述气体扩散层基底进行疏水化改性；在所述气体扩散层基底上制备微孔层。因此本申请提供的气体扩散层的制备方法可同时提升气体扩散层的疏水性和导电能力。

摘要： 本发明涉及一种增强水管理能力的气体扩散层的制备方法以及该气体扩散层在燃料电池中的应用，至少包括以下步骤：S1、制备浓度为1‑8wt％浸渍液；S2、将气体扩散层放置于上下设置有压板的夹具中，2块压板密贴于气体扩散层上下表面，再向气体扩散层施加0.5‑3MPa的压力，并使用泵通入浸渍液；S3、浸渍完成后，排出多余的浸渍液；将步骤S2中的夹具和气体扩散层，放置于在氮气环境中，80‑180°C下烧结0.5‑90min后，制得增强水管理能力的气体扩散层。本申请中的增强水管理能力的气体扩散层在保证气体扩散层导电性不变的情况下，具有良好的保水/排水的能力。

摘要： 本申请属于材料技术领域，尤其涉及一种燃料电池气体扩散层导电浆料、气体扩散层及其制备方法。以所述导电浆料的总质量为100％计，包括质量百分含量的原料组分：碳纳米管5～10％，稳定剂0.15～0.5％，润湿剂0.5～3％，溶剂余量；碳纳米管包括质量比为(99.9～99.95)：(0.05～0.1)的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。本申请燃料电池气体扩散层导电浆料，通过阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的协同配合作用，能够在多孔基底表面形成孔隙分布均匀、孔径大小合适的三维网络结构，与多孔基底的孔隙形成梯级分布，充分确保了燃料电池气体扩散层的透气性、导电性、导热性、稳定性、以及亲水/憎水的平衡性等特性。

摘要： 本发明提供了一种燃料电池气体扩散层用碳纸及其制作方法、燃料电池气体扩散层及质子膜燃料电池。该制作方法包括对碳毡浸渍、烘干后形成的预处理碳毡进行热压的步骤，其包括：提供模具，模具由下至上依次包括容纳板及盖板，容纳板及盖板均为钢板，容纳板包括基板以及位于基板的靠近盖板一侧的围挡框，围挡框的中空部具有与预处理碳毡相适应的形状；将预处理碳毡放置于围挡框中，盖上盖板，然后将模具置于平板热压机的上极板和下极板之间，热压后，得到碳纸。本发明有效解决了现有技术中燃料电池气体扩散层用碳纸厚度一致性差的问题。

摘要： 本发明提供气体扩散层、膜电极接合体、燃料电池及气体扩散层的制造方法。提供具有优异的机械强度的气体扩散层。气体扩散层包含导电性粒子和氟树脂，氟树脂含有具有第1平均纤维直径的第1纤维和具有与第1平均纤维直径不同的第2平均纤维直径的第2纤维。