1月10-12日，2020中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇在釣魚臺(tái)國(guó)賓館隆重召開。本次論壇圍繞“把握形勢(shì) 聚焦轉(zhuǎn)型 引領(lǐng)創(chuàng)新”主題，邀請(qǐng)政府有關(guān)部門和汽車、能源、交通、城市、通訊等領(lǐng)域的行業(yè)機(jī)構(gòu)和領(lǐng)先企業(yè)代表，就行業(yè)、企業(yè)、政策的轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新展開深度研討。以下是南方科技大學(xué)教授、加拿大工程院院士，王海江在本次論壇上的發(fā)言：
   
尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，各位嘉賓，我是來自南方科技大學(xué)的教授王海江。剛才潘牧教授跟大家講了整個(gè)可再生能源發(fā)展的一些情況，在整個(gè)可再生能源里面，它有很多細(xì)小的技術(shù)問題是需要我們來解決的。今天我的講座要聚焦到非常小的一個(gè)方面，就是質(zhì)子交換膜燃料電池里面的一個(gè)核心材料氣體擴(kuò)散層方面的情況。
要實(shí)現(xiàn)我們國(guó)家燃料電池技術(shù)規(guī)模化的生產(chǎn)，我們就需要解決燃料電池里面核心材料這樣一個(gè)問題。氣體擴(kuò)散層就是燃料電池電堆里面的一個(gè)核心材料，目前我們國(guó)家還是主要依靠進(jìn)口來解決氣體擴(kuò)散層這樣一個(gè)材料問題。氣體擴(kuò)散層總體來說，也是我們?nèi)剂想姵丶夹g(shù)發(fā)展里面一個(gè)卡脖子技術(shù)。我們必須要解決這樣一個(gè)技術(shù)，南方科技大學(xué)氫能與燃料電池研究團(tuán)隊(duì)不辱使命，在過去兩年多的發(fā)展里面，優(yōu)化了燃料電池氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)，開發(fā)了氣體擴(kuò)散層的生產(chǎn)工藝，也實(shí)現(xiàn)了氣體擴(kuò)散層小批量生產(chǎn)。
感謝電動(dòng)汽車百人會(huì)給我這個(gè)機(jī)會(huì)，今天有機(jī)會(huì)向各位領(lǐng)導(dǎo)、各位專家就南方科技大學(xué)氣體擴(kuò)散層方面的研究情況給大家做一個(gè)匯報(bào)。
首先從燃料電池單電池的結(jié)構(gòu)開始，燃料電池電堆是由很多單電池串聯(lián)組成的。對(duì)燃料電池的單電池有一個(gè)七層的結(jié)構(gòu)，中間是質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜的兩側(cè)是催化層，催化層的兩側(cè)是有兩片氣體擴(kuò)散層，再加上雙極板就構(gòu)成了燃料電池單電池這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)。一個(gè)燃料電池單電池需要兩片氣體擴(kuò)散層，雖然目前市場(chǎng)上氣體擴(kuò)散層的價(jià)格比質(zhì)子交換膜要便宜一些，但是它的用量比較大，需要兩片，所以它對(duì)燃料電池的價(jià)格有非常大的影響。美國(guó)能源部按照現(xiàn)有的燃料電池技術(shù)所做的一些計(jì)算。氣體擴(kuò)散層在燃料電池電堆里面價(jià)格的分布，在小批量的時(shí)候，基本上價(jià)格占到21%，比質(zhì)子交換膜還要貴一些。隨著量的增加，氣體擴(kuò)散層的價(jià)格占比會(huì)減少一些，但即使到批量化的生產(chǎn)，它也占有一定的比例。當(dāng)規(guī)模達(dá)到50萬輛的時(shí)候，它還有6%的價(jià)格比例，所以氣體擴(kuò)散層對(duì)燃料電池的價(jià)格有非常大的影響。氣體擴(kuò)散層影響到燃料電池里面的傳質(zhì)、傳熱以及歐姆電阻，因?yàn)樗鼘?duì)水管理有非常大的作用，它間接的影響到燃料電池里面的動(dòng)力學(xué)。因?yàn)樗绊懭剂想姵氐男阅埽蚤g接影響到燃料電池的成本。尤其是我們現(xiàn)在燃料電池技術(shù)發(fā)展是朝著高電流操作這樣一個(gè)方向來發(fā)展，高電流操作的時(shí)候，傳質(zhì)就非常重要。好的氣體擴(kuò)散層和壞的氣體擴(kuò)散層對(duì)燃料電池的性能有非常大的影響。如果不能提高操作電流，因?yàn)闅怏w擴(kuò)散層的問題很難進(jìn)一步降低燃料電池的成本。
如何有一個(gè)好的氣體擴(kuò)散層的材料？首先要分析一下它在燃料電池里面所起的作用。首先第一個(gè)作用是傳質(zhì)的作用，它要把我們的氣體均勻的擴(kuò)散到催化劑上進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)要把這個(gè)產(chǎn)物這個(gè)水能夠帶出來，這是它的第一個(gè)作用。同時(shí)，燃料電池里面反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也要通過氣體擴(kuò)散層帶出去。另外所產(chǎn)生的電流也要通過氣體擴(kuò)散層導(dǎo)到外面的電路，傳質(zhì)、傳熱、導(dǎo)電是氣體擴(kuò)散層在燃料電池里面主要的功能。同時(shí)它需要有一定的機(jī)械強(qiáng)度來支撐我們膜電極，膜電極比如是CCM機(jī)械強(qiáng)度不夠，需要有一個(gè)支撐，這個(gè)是氣體擴(kuò)散層四個(gè)功能。因?yàn)橛羞@樣一個(gè)功能的要求，所以我們對(duì)氣體擴(kuò)散層的材料選擇也是有一定的要求。首先它必須是多孔的介質(zhì)，需要良好的導(dǎo)熱性，有良好的導(dǎo)電性，同時(shí)有一定的機(jī)械強(qiáng)度。另外因?yàn)樗谌剂想姵乩锩婀ぷ?，所以它需要有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。正因?yàn)橛羞@樣一個(gè)要求，所以氣體擴(kuò)散層的選擇并不是很多。早期的時(shí)候有些人用金屬網(wǎng)或者金屬泡沫來做氣體擴(kuò)散層，因?yàn)樗幕瘜W(xué)穩(wěn)定性不高，所以后來基本上氣體擴(kuò)散層材料的選擇只有兩種，要么就是碳布，要么是碳紙，碳布的機(jī)械強(qiáng)度不是特別高，所以后來基本上所有的公司都是用碳紙作為氣體擴(kuò)散層。
現(xiàn)在材料基本上定下來了，材料的結(jié)構(gòu)對(duì)我們氣體擴(kuò)散層的性能有非常大的影響。如何去解決氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的問題？我們團(tuán)隊(duì)首先在模擬計(jì)算這方面，多孔介質(zhì)兩相流動(dòng)等等，我們用模擬方法來優(yōu)化它的結(jié)構(gòu)。我們用一些現(xiàn)有的氣體擴(kuò)散層，用CT掃描的方法，得到它的結(jié)構(gòu)，再把它的這個(gè)結(jié)構(gòu)放在計(jì)算機(jī)里面進(jìn)行兩相模擬，來優(yōu)化這個(gè)氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)。有了這個(gè)模擬以后，我們還需要用試驗(yàn)來測(cè)量氣體擴(kuò)散層它的一些性能。氣體擴(kuò)散層最主要是氣體要從它里面走，氣體在多孔介質(zhì)里面的擴(kuò)散系數(shù)是決定在燃料電池里面性能一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)。我們這里面用了一個(gè)做擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量，有兩個(gè)腔體，一個(gè)腔體里面放上氮?dú)?，一個(gè)腔體里面放上氧氣，中間有一個(gè)球閥，等球閥打開的時(shí)候，氧氣就會(huì)通過我的樣品走到另外一個(gè)腔體里面，模擬另外一個(gè)腔體里面氧氣的濃度，就可以計(jì)算出來氧氣在多孔介質(zhì)里面的擴(kuò)散系數(shù)。有了擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量，我測(cè)量不同結(jié)構(gòu)的樣品，就能優(yōu)化氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的性能。
另外一個(gè)研究就是我們氣體擴(kuò)散層里面水管理的研究，這里我們用了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的方法，我們用一個(gè)類似于單電池的測(cè)試，但是這個(gè)單電池里面我們沒有放一個(gè)正常的MEA，而是放了氣體擴(kuò)散層的樣品和一個(gè)質(zhì)子交換膜，陽極這一側(cè)是水在里面流動(dòng)，這個(gè)膜永遠(yuǎn)是完全潤(rùn)濕的。陰極這一側(cè)按照不同的空氣流量，在不同的空氣流量下面來測(cè)量水從這里面走出來的速度，這樣就得到水穿過氣體擴(kuò)散層的速度與空氣流量之間的關(guān)系。得到右下角這樣一個(gè)圖，從這個(gè)圖里可以看到燃料電池里面水平衡的情況。在紅色的虛線上面，水流過氣體擴(kuò)散層的速度特別大，就造成了燃料電池里面膜容易干的這種現(xiàn)象。在虛線的下側(cè)，水走的速度比較小，這樣的情況造成水淹的情況，有了這樣一個(gè)測(cè)量以后，我們就可以計(jì)算出來什么樣的氣體擴(kuò)散層在燃料電池里面的水管理是最為有效的。
我們有了這樣一些研究之后，就可以確定氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)一步來開發(fā)氣體擴(kuò)散層它的工藝。氣體擴(kuò)散層生產(chǎn)，把南方科技大學(xué)的研究成果放到一個(gè)產(chǎn)業(yè)化公司里面來實(shí)施。在過去幾年里面，我們通過南方科技大學(xué)的研究平臺(tái)，創(chuàng)立了三個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)化平臺(tái)，其中一個(gè)就是通用氫能。氣體擴(kuò)散層的生產(chǎn)就是通過我們通用氫能公司來實(shí)現(xiàn)。在過去一年多的時(shí)間，通用氫能公司開發(fā)出來氣體擴(kuò)散層的生產(chǎn)線，目前產(chǎn)能一般情況下是10萬平米，如果說三班倒的話，可以做到年產(chǎn)30萬平米氣體擴(kuò)散層的生產(chǎn)能力。中間上面這個(gè)表是我們氣體擴(kuò)散層的一些性能指標(biāo)，這個(gè)指標(biāo)和國(guó)外商業(yè)化的氣體擴(kuò)散層基本是非常類似的。下面這個(gè)圖是氣體擴(kuò)散層在燃料電池里面它的性能表現(xiàn)，可以看到我們的氣體擴(kuò)散層和國(guó)外的氣體擴(kuò)散層的性能基本上是一樣的。這個(gè)曲線里面有一個(gè)特點(diǎn)，兩個(gè)安培的時(shí)候，仍然沒有看到有傳質(zhì)控制這樣一種現(xiàn)象，所以它的好處，放在燃料電池電堆里面，如果操作點(diǎn)為1A/cm2的情況下，可以過載100%都沒有問題。這個(gè)就是我們氣體擴(kuò)散層的特點(diǎn)，現(xiàn)在生產(chǎn)能力基本上就是每年10萬-30萬平米這樣一個(gè)產(chǎn)能。如果有需要?dú)怏w擴(kuò)散層的公司，可以和我們聯(lián)系，這個(gè)就是我今天向各位領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)的全部?jī)?nèi)容。
謝謝大家！