質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作為一種新興的低溫燃料電池,，具有效率高,、工作溫度低,、0排放等優(yōu)點,，是新型綠色能源的主要發(fā)展方向之一,。

PEMFC的核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly, MEA),，EMA由兩層氣體擴散層(Gas Diffusion Layer,GDL),、兩層催化層和一層質(zhì)子交換膜組成,。

PEMFC燃料電池的的反應原理如圖1所示。PEMFC單電池由EMA（陽極,、陰極和質(zhì)子交換膜）和雙極板組成,。陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化還原的場所,，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑,，一般采用鉑/炭或鉑/釕為電催化劑，質(zhì)子交換膜為電解質(zhì),，氫或凈化重整氣為燃料,，空氣或純氧為氧化劑，帶有氣體流動通道的石墨或表面改性的金屬板為雙極板,。具有一定濕度和壓力的氫氣和氧氣分別進入陽極和陰極,，經(jīng)氣體擴散層（圖中為碳紙）到達催化劑層和質(zhì)子交換膜的界面，分別在催化劑的作用下發(fā)生氧化和還原反應,。

在陽極,，氫氣發(fā)生電化學反應生成氫離子和電子，其中氫離子通過質(zhì)子交換膜傳導到陰極（質(zhì)子交換膜的*屬性使其只允許氫離子通過）,，電子通過外電路到達陰極,，在陰極氫離子、電子和氧氣反應生成水,。生成的水以水蒸氣或冷凝水的形式隨多余的氧氣從陰極出口排出,。

圖1  燃料電池（包括膜電極和雙極板）單電池示意圖

氣體擴散層位于膜電極的兩端，是燃料電池的重要組件之一,，其作用包括支撐質(zhì)子交換膜,、涂掛催化劑、連接膜電極與雙極板等,。GDL材料在性能上需具備以下幾點：

1,、 因GDL介于雙極板與觸媒層之間,，電化學反應時，電流密度很高,，存在高電腐蝕性,，因此GDL材料必須具備抗腐蝕性；

2,、 GDL材料充當氫氣/氧氣或者甲醇/空氣擴散至觸媒層反應的媒介,，必須為多孔性透氣材料；

3,、 GDL材料扮演電流傳導器,，必須為高導電的材料；

4,、 電池反應時為放熱反應,，GDL材料必須為高導熱材料，及時散熱,，避免因局部過熱導致的質(zhì)子交換膜破損,；

5、 GDL材料應具備高疏水性,，避免電池反應生成的水對觸媒層造成破壞。

碳纖維紙（簡稱碳紙）由短切碳纖維為原料制造而成,，在微觀上具有纖維多孔結(jié)構(gòu),，可為氣體及水的傳導建立有效通道。同時,，碳紙具有質(zhì)量輕,、表面平整、耐腐蝕,、孔隙率均勻等優(yōu)點,。此外，具有高強度的碳紙可為PEMFC電池的安裝和使用帶來保障,，起到穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu),，提高電池的壽命。加之碳紙制造工藝成熟,、性能穩(wěn)定,，因此，碳紙成為膜電極中氣體擴散層材料的主流選擇,。碳紙作為氣體擴散層的膜電極如圖1所示,。由于碳紙制備過程中存在纖維排列取向，因此碳紙本身具有各項異性,。

鑒于導熱性能是GDL材料的重要指標之一,，因此本文通過耐馳閃光法導熱儀LFA 467對某碳紙樣品的導熱系數(shù)進行了測試,。本測試中使用LFA467分別測試碳紙樣品的水平和垂直方向的熱擴散系數(shù)，使用DSC測試碳紙樣品的比熱,。通過將樣品的熱擴散系數(shù),、比熱、密度三者相乘,，得到樣品的導熱系數(shù),。

圖2 碳紙樣品照片

圖3  In-Plane樣品支架

表1是該碳紙樣品（圖2）水平方向的導熱系數(shù)測試結(jié)果。該測試使用的支架為In-plane支架（圖3）,，可用于測試高導熱薄膜材料水平方向的熱擴散系數(shù),。可知該樣品在25oC和100oC時,，水平方向的熱擴散系數(shù)分別為58.610 mm2/s,、50.122 mm2/s，導熱系數(shù)分別為20.568 W/(m*K),、21.794 W/(m*K),。圖4為測試的溫升曲線，可以看出測試曲線（藍色）和擬合曲線（紅色）的擬合效果較好,。

表1 碳紙樣品水平方向的導熱系數(shù)結(jié)果

圖4 碳紙樣品水平方向測試的溫升曲線

表2是該碳紙樣品垂直方向的導熱系數(shù)測試結(jié)果,。該測試使用的支架為薄膜樣品支架（圖5），可用于測試薄膜樣品垂直方向的熱擴散系數(shù),。由結(jié)果可知,，該樣品在25oC和100oC時，垂直方向的熱擴散系數(shù)分別為7.902 mm2/s,、6.382 mm2/s,，導熱系數(shù)分別為2.773 W/(m*K)、2.775 W/(m*K),。樣品水平方向的導熱系數(shù)明顯高于垂直方向,，具有明顯的各項異性。因樣品為纖維多孔結(jié)構(gòu),，垂直方向測試時存在一定程度的透光,，因此結(jié)果計算時，采用透明模型,。

表2 碳紙樣品垂直方向的導熱系數(shù)結(jié)果

圖5 專用于薄膜厚度方向?qū)釡y量的薄膜樣品支架

在質(zhì)子交換膜燃料電池中,，氣體擴散層作為膜電極的重要組成部分，其成本通常占據(jù)膜電極成本的20-25%,。行業(yè)分析預計到2024年,，全球氣體擴散層材料市場規(guī)模將達33.4億美元。碳紙作為氣體擴散層的材料,，在我國的行業(yè)發(fā)展前景十分廣闊,。導熱系數(shù)是碳紙的重要指標之一,。通過耐馳的閃射法導熱儀LFA467及其In-plane支架和薄膜支架，可以準確,、便捷地測試碳紙樣品水平和垂直方向的導熱性能,。

作者

李金艷

耐馳儀器公司應用實驗室