气体扩散层(GDL)是燃料电池(尤其是质子交换膜燃料电池 PEMFC)、电解水装置等电化学系统的 “功能层”,其优势完全围绕 “解决电化学反应的多相传质导电难题” 展开,直接决定了装置的性能、稳定性与寿命。以下从传质优化、导电支撑、环境适应、性能提升四大维度,详细解析其优势:一、优势 1:调控 “多相传质”,解决反应 “原料供应” 与 “产物排出” 痛点电化学系统(如 PEMFC)的反应需同时满足 “气体反应物(H₂/O₂)、液态电解液 / 水、固态电极” 的三相接触,GDL 通过独特结构设计,实现对气、液、固三相的调控,这是优势:
GDL 在燃料电池的 “膜电极组件(MEA)” 中扮演 “物理骨架” 角色,其结构直接提升装置的机械稳定性和兼容性。吉林水冷电堆用GDL在做的公司
柔性电子与传感器柔性电极:将碳纸与柔性聚合物(如聚酰亚胺)复合,可制成柔性电池、柔性太阳能电池的电极,具备“可弯曲、可折叠”特性(弯曲1000次后导电性衰减<5%),适用于可穿戴设备(如智能手环、柔性屏);气体传感器:碳纸的多孔结构可吸附目标气体(如甲醛、NO₂),气体与碳纸表面发生反应后会改变其电阻,通过检测电阻变化可实现“实时气体浓度监测”,且响应速度快(<10秒)、稳定性高。2.催化载体在多相催化反应(如CO₂还原、有机合成)中,碳纸可作为“催化剂载体”:表面可负载金属纳米颗粒(如铜、铂),多孔结构可增大催化剂分散度(提升催化效率);高导电性可用于“电催化反应”(如CO₂电还原制甲醇),同时自身化学惰性不参与反应,可重复使用(循环50次后催化活性保留>80%)。新疆GDL制造GDL化学稳定性:耐受恶劣工况,延长使用寿命。
由于碳纸是燃料电池的“功能件”,其质量检测标准极为严苛,进一步增加了工艺复杂度:微观结构:需用扫描电子显微镜(SEM)观察孔隙分布,要求孔径均匀(5-20μm),无明显团聚或裂纹;电学性能:体积电阻率需<10mΩ・cm(石墨化后),且不同区域电阻率偏差<5%;机械性能:抗折强度需>5MPa,拉伸强度需>15MPa,避免在燃料电池组装(螺栓紧固)时破损;疏水性能:水接触角需>110°(确保电解液不渗透)。综上,碳纸的制备是“精细化工+高温材料+精密机械”的综合过程,每个步骤都需攻克材料兼容性、工艺稳定性、性能平衡性等难题,因此其工艺流程具有复杂性,也是过去我国长期依赖进口的原因之一(截至2024年5月,国内少数企业实现高品级碳纸量产,国产化率仍不足30%)。
作为气体扩散层的基材,碳纸的制备,除了准备原料、打浆抄纸、浸渍、固化这些步骤,还需碳化、石墨化处理。而气体扩散层的制备一般称为抄纸制程,在制程中还必须改善碳纸原料特性、导电性以及化学安定性。其方法为以碳纤维纸为基础再添加碳复合材料混合后热处理,其制程中还可以添加适当的中间原料并配合使用的特性研发出相同的碳纸。方法为以碳纤维纸为基础再添加碳复合材料混合后热处理,其制程中还可以添加适当的中间原料并配合使用的特性研发出相同的碳纸。碳纸在造纸阶段前必须先将连续长丝纤维切断成为3~12mm之间的短纤维段,组成短纤维段后的制程依序分为1.抄纸,2.含浸复合树脂,3.热压成形,4.碳化处理以及5.石墨化处理。复杂的工艺决定了碳纸是当前制约我国氢燃料电池领域发展的基础材料,受制于碳纤维、碳纤维原纸、石墨化和后处理等复杂工艺及装备,我国至今未能实现量产碳纸。目前可应用在燃料电池气体扩散层的碳纸生产厂商有TORAY、SGL、Ballard、Avcarb、中国台湾碳能等公司。因此,碳纸也被称之为燃料电池材料国产化的“一个壁垒”。空冷电堆的优势:1.已定型两轮车、无人机气体扩散层。
气体扩散层(GasDiffusionLayer,GDL)是燃料电池(如质子交换膜燃料电池PEMFC)、电解池等能源转换装置的组件之一,其性能直接影响装置的传质效率、导电性、稳定性及整体输出性能,性能可从以下关键维度展开:
1.优异的气体传输性能作为“气体通道”,需确保反应气体(如燃料电池的氢气、氧气)、均匀地从流场扩散至催化层,同时及时排出生成的水(如PEMFC的液态水),避免“水淹”堵塞通道。关键指标:透气性(气体渗透率)、孔隙率(通常30%-70%,需平衡透气与力学强度)、孔结构分布(梯度孔结构更利于水-气协同传输)。
2.良好的电子导电性需作为“电子通路”,将催化层产生的电子(燃料电池)或外部电路输入的电子(电解池)传导至集流板,减少界面接触电阻和体电阻。特征:通常由碳纤维(如炭纸、炭布)制备,含导电涂层(如炭黑+PTFE),体积电阻率一般低于10⁻³Ω・cm,确保电子传输损耗小。 GDL气体传输的本质是 “多维度协同设计”。江苏PEM制氢用GDL厂家价格
支撑层:在复合电极设计中,碳纸可作为基底负载催化剂或活性物质,增强机械强度。吉林水冷电堆用GDL在做的公司
国科领纤于2023年在江苏常州武进区成立,聚焦氢燃料电池关键材料碳纸及相关“卡脖子”材料的技术攻关和产业化,旨在打破国外垄断、实现关键材料国产自主,国科领纤也是目前国内具备从连续纤维处理、碳原纸生产、碳纸生产全流程技术、批量化生产的团队。创始人为吴刚平博士,其带领的团队成员均来自于国内从事氢燃料电池碳纸研究单位——中科院山西煤炭化学研究所。吴刚平博士从该所毕业后,即从事碳纤维应用基础、工程化、燃料电池气体扩散层用碳纸研究,至今已有二十余年,具备扎实的科学研究基础和丰富的工程化经验。“目前,国内氢燃料电池用碳纸的产业化制备关键材料还处于被国外供应商垄断状态,生产依赖进口原材料二次加工,其价格及产量受原材料制约较大,性价比低。有限的产量不足以支撑我国燃料电池产业激增的市场需求,一定程度上阻碍了国内氢能和燃料电池产业国产自主发展。”吴刚平博士表示。吉林水冷电堆用GDL在做的公司
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