蘇州納米所周小春團隊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,被譽為二十一世紀的“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,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結(jié)構(gòu)可以促進傳質(zhì),但是在高電流密度下仍會存在傳質(zhì)和水淹問題,這會極大的影響燃料電池的性能。
最近,中國科學(xué)院蘇州納米所周小春團隊利用激光雕刻技術(shù)以東麗碳紙為基材,設(shè)計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??梢允褂玫椭?/font>0 kPa和50 kPa的空氣背壓,分別達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)相對濕度從40%增加到100%時,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的燃料電池汽車續(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)流場的區(qū)別,研究者進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)會導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)生的水在流場板與GDL接觸部分積累。其次,氣體在流場與催化層之間的傳質(zhì)是通過緩慢擴散進行。而該團隊設(shè)計制備的一體化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,氣體在流場與催化層之間以湍流形式進行流動,并且流動方向不斷改變形成旋渦,這種流動方式快速且溫和(圖3)。
圖3. 新型一體化GDL和商用GDL的傳質(zhì)機理
綜上,這項工作利用激光雕刻方式設(shè)計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的功耗,并且進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散層的設(shè)計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科學(xué)院蘇州納米所博士研究生何燦,通訊作者為中國科學(xué)院蘇州納米所周小春研究員。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、蘇州碳達峰碳中和技術(shù)支持重點項目等資助,同時感謝中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站(Nano-X)提供的測試幫助。
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