燃料电池气体扩散层非织造布的生产工艺

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能连续地转化为电能的高效、清洁发电装置，是一种高效的清洁能源，非常适合做电动汽车的电源，今后将大量地应用于汽车工业中。

燃料电池一般分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸质燃料电池、固体电解质燃料电池和固体聚合物电解质燃料电池等。其中，固体聚合物电解质燃料电池（也称质子交换膜电池PEMFC）易于控制，能够在低温条件下工作，并且能够获得较高的输出密度，因此，是电动汽车最多用的电源电池。

1.气体扩散层的应用原理及技术要求　固体聚合物电解质燃料电池结构及工作原理如图6-6所示。燃料电池的电极反应为：

正极（也称燃料极）：2H2→4H++4e-

负极（也称空气极）：4H++O2+4e-→2H2O

固体聚合物电解质燃料电池是以固体聚合物为电解质，以铂（Pt）或钌（Ru）为催化剂，并以带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属为正负极板的低温燃料电池，其中正负电极是由多孔的扩散层和催化剂层组成。燃料气体首先经过正极扩散层到达催化剂层，在催化剂的作用下，发生正极电极反应，该电极反应产生的电子，再通过扩散层的传导流经外电路到达负极，同时氢离子在质子交换膜的作用下也到达负极。氧气通过负极扩散层后与氢离子和电子在催化剂的作用下发生电极反应从而生成水，所生成的水必须及时排出，以免产生“水淹电极”的现象。从燃料电池的工作原理可知，气体扩散层在电池电极中，不仅起到一种支撑催化剂层的作用，而且起到一种稳定电极板结构的作用，同时，还具有为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多功能作用，所以说，扩散层在燃料电池中具有相当重要的作用，如果选用高性能的气体扩散层，则有利于改善电池的综合性能。

图6-6　固体聚合物电解质燃料电池结构及工作原理图

1—电解质　2—催化剂层　3—气体扩散层　4—双极板　5—电解质膜—电极结合体

目前，用来制备燃料电池气体扩散层基体材料的有碳纤维非织造布（也称碳纤维纸）、碳纤维编织布、炭黑纸和合成纤维非织造布等，但无论哪一种基体材料，都必须满足燃料电池高性能气体扩散层的具体技术要求。

（1）透气性。能平稳地供应燃料气体，具有均匀的多微孔结构，能使气体扩散层具有良好的透气性。

（2）导电性。较低的电阻率，能提高电子传导能力。

（3）表面光滑性。表面平整，而且质地紧密，减小接触电阻，提高导电性能。

（4）力学强度。具有一定的力学强度，适当的刚性和柔软性，有利于电极的加工，能够确保正负极板结构的稳定性。

（5）透水性。既要具有排水功能，还要具有储水作用，适当的亲水和拒水平衡，能够防止过多的水分阻塞气体扩散层，从而，影响扩散层多微孔中孔隙率，导致气体透过性能下降。(www.xing528.com)

（6）耐腐蚀性。既要具有化学稳定性，又要具有热稳定性。

（7）性价比。应用性能要好，制造成本还要低，具有较高的性价比。

2.碳纤维非织造布气体扩散层的生产工艺　碳纤维非织造布也称碳纤维原纸，是一种比较常用的燃料电池气体扩散层基体材料，其生产工艺流程为：碳纤维混合→胶黏剂→碳纤维原纸→树脂浸渍→热轧→高温炭化（石墨化处理）→成品→检验→分切→包装。

碳纤维原纸的生产工艺有干法和湿法两种，干法碳纤维原纸生产工艺与浸渍法薄型非织造布生产工艺相同，而湿法碳纤维原纸生产工艺与湿法造纸非织造布生产工艺相同，这里不再赘述。表6-7和表6-8分别给出了聚丙烯腈基碳纤维原纸生产原料技术性能及生产工艺参数。

表6-7　聚丙烯腈碳纤维原纸生产原料技术性能要求

表6-8　碳纤维原纸生产工艺参数

大多数燃料电池的气体扩散层基体材料采用碳纤维纸，它不仅具有均匀的多微孔结构，而且具有良好的导电性、化学稳定性和热稳定性，但是缺点是脆性大、柔性差、易破损、制成率低。碳纤维编织布的优点是柔性好于碳纤维纸，具有一定的弯曲性和弹性，有一定的抗压能力，良好的导电性，但缺点是尺寸稳定性差、易收缩、加工难度大。非织造布基体材料克服了碳纤维原纸和碳纤维编织布的缺点，而且具有非常理想的力学强度，柔性大、尺寸稳定性强、加工简单、成本低、导电性能好、拒水和亲水性可以按照技术要求设计，非织造布开放孔隙率一般都在40%～60%之间，是一种最为理想的燃料电池气体扩散层基体材料。

3.不同基体材料燃料电池气体扩散层的性能比较（表6-9）

表6-9　不同基体材料燃料电池气体扩散层的性能比较

续表