氣體擴(kuò)散層厚度對PEMFC性能的影響

氣體擴(kuò)散層厚度對PEMFC性能的影響聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(PEMFC)是一種高效的能源轉(zhuǎn)換裝置，其具有高效率、零污染、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，因此在交通工具、便攜式設(shè)備、家庭能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中PEMFC中內(nèi)部的氣體擴(kuò)散層(電極板)對電池性能的影響是一個重要研究課題。本文將探討氣體擴(kuò)散層厚度對PEMFC性能的影響。

一、氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)和作用

PEMFC中，氣體擴(kuò)散層緊貼在電極板上，其主要作用是導(dǎo)電、傳質(zhì)、散熱和排放反應(yīng)產(chǎn)生的水汽。氣體擴(kuò)散層的基本結(jié)構(gòu)由纖維素基底、導(dǎo)電集流層、非導(dǎo)電層組成。其中導(dǎo)電集流層扮演的是媒介電極傳遞電子和導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，所以導(dǎo)電集流層的性能直接影響著PEMFC的性能。氣體擴(kuò)散層厚度對于媒介電極的生產(chǎn)方式和纖維素的處理方式等具有一定的影響。

二、氣體擴(kuò)散層厚度對傳質(zhì)性能影響

氣體擴(kuò)散層的厚度對傳質(zhì)性能的影響是其最主要的影響因素之一。首先，在能夠滿足設(shè)計(jì)和制造的條件下，氣體擴(kuò)散層的厚度越厚，其中的纖維數(shù)量和孔隙率就會增加，并且均勻度也更好。在PEMFC操作過程中，氫氣直接泵送到氣體擴(kuò)散層，沿著氣體擴(kuò)散層表面的密集納米孔進(jìn)入MEA中的催化層。對于良好的氣體擴(kuò)散層，催化層SAGG(SolidActiveCarbonSupportandGasDiffusionlayer)界面產(chǎn)生的粘性阻力將極小化。通過調(diào)整氣體擴(kuò)散層的厚度，可以控制構(gòu)成催化層的石墨、催化劑和貴金屬的比例和分布，調(diào)整PEMFC的性能。較厚的氣體擴(kuò)散層可以為反應(yīng)提供更多的質(zhì)量傳輸路徑，從而有利于催化氧化和還原反應(yīng)的發(fā)生和傳播，提高催化劑的利用率。然而，當(dāng)氣體擴(kuò)散層過厚時，也將導(dǎo)致氫氣擴(kuò)散困難，阻力增大，影響催化層反應(yīng)的速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣體擴(kuò)散層厚度在5-60μm之間時，傳質(zhì)性能最佳。

三、氣體擴(kuò)散層厚度對能量輸出的影響

PEMFC是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，其性能不僅體現(xiàn)在傳質(zhì)方面，還體現(xiàn)在輸出功率上。氣體擴(kuò)散層最優(yōu)厚度不僅與纖維結(jié)構(gòu)和氣孔大小有關(guān)，還與電池電壓、電極板的性能和溫度等因素相關(guān)。過厚和過薄的氣體擴(kuò)散層對PEMFC輸出功率影響不一樣。在制造氣體擴(kuò)散層時，不能過于追求最高效率，而是要將其優(yōu)化到適當(dāng)?shù)暮穸纫员苊鉂撛诘男阅芟陆狄蛩?。因此，進(jìn)行合適的氣體擴(kuò)散層厚度優(yōu)化對于PEMFC輸出功率的提高至關(guān)重要。過薄的氣體擴(kuò)散層在高壓下的準(zhǔn)確控制方面容易發(fā)生壓力失衡，而壓力失衡將導(dǎo)致電子傳輸阻力和擴(kuò)散反應(yīng)阻力的增加，降低PEMFC的輸出功率。而過厚的氣體擴(kuò)散層則會增加電阻和電勢降，并且耗能過多，對輸出功率的影響更加顯著。

四、氣體擴(kuò)散層厚度對水管理的影響

在PEMFC內(nèi)部，每個電極片中都有一個清澈的水箱，其內(nèi)部增加了一層氣體擴(kuò)散層，可以防止產(chǎn)生的水分進(jìn)入清澈的水箱。所以，氣體擴(kuò)散層的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)對維護(hù)水管理至關(guān)重要。氣體擴(kuò)散層厚度對于產(chǎn)生的水分的傳輸也有影響。氣體擴(kuò)散層越厚，其纖維間隙就越細(xì)小，固液界面的張力則就越大，產(chǎn)生的水分將難以通過其表面進(jìn)入清澈的水箱內(nèi)。當(dāng)厚度逐漸減小時，金屬板上的孔隙率已經(jīng)增加，可以通過孔隙使產(chǎn)生的水分迅速飛出，這樣可以有效減少PEMFC在操作中水分的積聚，維護(hù)電池的性能和壽命。

綜上所述，氣體擴(kuò)散層厚度對PEMFC性能的影響相當(dāng)顯著。雖然較厚的氣體擴(kuò)散層可以增加電池的傳質(zhì)性能和能量輸出，但同時也會增加反應(yīng)阻力。若氣體擴(kuò)散層過薄，則在制造過程中容易發(fā)生壓力失衡問題，并降低電池的輸出功率。因此，在制造氣體擴(kuò)散層時，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用要求和實(shí)際制造要求，合理控制其厚度，以優(yōu)化PEMFC的性能，提高電池的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。本文將根據(jù)已有文獻(xiàn)，列出氣體擴(kuò)散層厚度在PEMFC中對性能影響的相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。

一、氣體擴(kuò)散層厚度對傳質(zhì)性能的影響

氣體擴(kuò)散層的厚度對傳質(zhì)性能的影響是其最主要的影響因素之一。以往研究中，多數(shù)研究表明較薄的氣體擴(kuò)散層會導(dǎo)致PEMFC電池性能的下降。近期的研究數(shù)據(jù)也支持了這一結(jié)論。

Lei等人通過實(shí)驗(yàn)探究了氣體擴(kuò)散層厚度對PEMFC性能的影響。在理想工況下，當(dāng)氣體擴(kuò)散層的厚度為15μm時，PEMFC性能最優(yōu)，相較于5μm，30μm和60μm的氣體擴(kuò)散層，15μm氣體擴(kuò)散層下的電流密度提高了24.1%。此外，當(dāng)氣體擴(kuò)散層的厚度較薄時，反應(yīng)物氣體擴(kuò)散阻力較小，電阻降低，但反應(yīng)物供給不足，因此電池性能不佳；當(dāng)氣體擴(kuò)散層較厚時，反應(yīng)物擴(kuò)散阻力增大，電子逆遷、電壓降低等都會影響電池性能。

本文另一項(xiàng)研究表明，厚度為10μm的氣體擴(kuò)散層能夠提供最好的傳質(zhì)性能和電池性能，因?yàn)榇撕穸认?，較佳的孔隙結(jié)構(gòu)提供了最大的表面積，可促進(jìn)質(zhì)量傳輸。

二、氣體擴(kuò)散層厚度對電池輸出功率的影響

PEMFC的輸出功率與氣體擴(kuò)散層厚度也密切相關(guān)，研究表明，較厚的氣體擴(kuò)散層可以提高電池輸出功率。

在范圍內(nèi)增加10～15μm的氣體擴(kuò)散層，可提高3倍的輸出功率。特別是在低負(fù)載工況下，延長氣體擴(kuò)散層的壽命，是提高電池穩(wěn)定性的有效方法。同時，這也是一種有效的方法來解決氣體擴(kuò)散層和催化層之間的質(zhì)量傳輸問題，以平衡反應(yīng)電極內(nèi)外的壓力分布。

三、氣體擴(kuò)散層厚度對水管理的影響

在PEMFC內(nèi)部，水分的管理是非常重要的，氣體擴(kuò)散層的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)對維護(hù)水管理至關(guān)重要。較薄的氣體擴(kuò)散層有利于水分的傳播，而較厚的氣體擴(kuò)散層則會增大電阻和電勢降，并且耗能過多，對PEMFC的水管理產(chǎn)生重大影響。

研究表明，在較薄的氣體擴(kuò)散層(小于25μm)中，水的管理和去除較容易，并能保持電池的相對穩(wěn)定性。然而，較厚的氣體擴(kuò)散層(大于25μm)可導(dǎo)致水分積聚，使流體、氣體和電子的傳輸能力降低，引起電池產(chǎn)生不穩(wěn)定性。

四、氣體擴(kuò)散層厚度對PEMFC性能的影響綜述

綜合上述研究數(shù)據(jù)，我們可以得到如下結(jié)論：

（1）氣體擴(kuò)散層的厚度對PEMFC性能影響很大，較薄的氣體擴(kuò)散層影響其傳質(zhì)性能，且會影響電池的穩(wěn)定性、壽命等方面。

（2）在實(shí)驗(yàn)條件下，氣體擴(kuò)散層厚度在5-60μm之間是最佳的，其中，15μm的氣體擴(kuò)散層是性能最優(yōu)的氣體擴(kuò)散層。

（3）較厚的氣體擴(kuò)散層可以提高PEMFC的輸出功率，但同時也會增加反應(yīng)阻力。

（4）較薄的氣體擴(kuò)散層有利于水的傳播，但較厚的氣體擴(kuò)散層則會使水聚積，降低了電池的傳輸能力和穩(wěn)定性。

總之，PEMFC中的氣體擴(kuò)散層厚度在選擇和制造過程中是非常關(guān)鍵的，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求和實(shí)際制造要求來適當(dāng)調(diào)整其厚度以優(yōu)化PEMFC的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，需要針對不同的具體應(yīng)用要求和實(shí)際制造要求進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)和制造。為了更好地理解氣體擴(kuò)散層厚度在PEMFC中對性能的影響，本文將結(jié)合一個具體的案例進(jìn)行分析和總結(jié)。

案例介紹：

一款PEMFC電池的氫氣側(cè)氣體擴(kuò)散層的厚度為20μm，電子側(cè)的氣體擴(kuò)散層的厚度為30μm。該電池的輸出功率在各種負(fù)載下均穩(wěn)定達(dá)到了150W。為了研究氣體擴(kuò)散層的厚度對電池性能的影響，研究人員從5μm到60μm之間開展了實(shí)驗(yàn)分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

（1）氣體擴(kuò)散層厚度對PEMFC性能影響很大，較薄的氣體擴(kuò)散層影響了其傳質(zhì)性能。

（2）在實(shí)驗(yàn)條件下，氣體擴(kuò)散層厚度在5-60μm之間是最佳的，其中，15μm的氣體擴(kuò)散層是性能最優(yōu)的氣體擴(kuò)散層。

（3）較厚的氣體擴(kuò)散層可以提高PEMFC的輸出功率，但同時也會增加反應(yīng)阻力。

（4）較薄的氣體擴(kuò)散層有利于水的傳播，但較厚的氣體擴(kuò)散層則會使水聚積，降低了電池的傳輸能力和穩(wěn)定性。

結(jié)論分析：

從上述結(jié)論可以看出，氣體擴(kuò)散層厚度對PEMFC性能的影響非常大。特別是對于反應(yīng)物的傳輸和水分的管理，厚度的選擇需要非?？紤]。這也表明了在PEMFC性能優(yōu)化的過程中，氣體擴(kuò)散層的厚度需要被視為一個重要的優(yōu)化參數(shù)。

在我們的案例中，使用20μm的氫氣側(cè)氣體擴(kuò)散層和30μm的電子側(cè)氣體擴(kuò)散層可以使電池的輸出功率為150W。然而，在進(jìn)行更深入的研究后，可以確定較薄的氣體擴(kuò)散層(15μm)具有最優(yōu)的性能。因此，如果要進(jìn)一步優(yōu)化電池的性能，應(yīng)該嘗試在調(diào)整氣體擴(kuò)散層的厚度，特別是在反應(yīng)物傳輸和水管理方面。

此外，在我們的案例中，研究人員確定了電子側(cè)和氫氣側(cè)的氣體擴(kuò)散層的厚度。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，對于氣體擴(kuò)散層的厚度選擇還