孔径梯度对炭纸中水传输的影响

瞿同庆，王 彪

(东华大学材料科学与工程学院，纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种清洁的能源转换设备，具有转换效率高，噪音小，可低温操作，对环境友好等特点[1]。气体扩散层是PEMFC中电极的基本组成元件[2-4]，其中炭纸的表面处理和孔结构对水传输具有重要影响[4-5]。Bevers等[6]研究了聚四氟乙烯(PTFE)处理对炭纸内部水饱和度的影响，结果表明水的饱和度随着PTFE含量的增加而降低。除此之外，通常在炭纸与催化剂层之间添加微孔层以控制其孔隙结构[3, 7-8]。Tabe 等[7]发现微孔层(MPL)由于孔径较小并且与催化剂层的接触更为紧密，从而可以减少两者界面处的积水，防止水淹现象的发生。近几年有研究发现，与均匀材料相比，具有孔径梯度的炭纸可以产生毛细管压力差，更有利于液态水的去除，改善燃料电池的水管理能力[9]。

然而由于炭纸内部结构较为复杂，影响水传输的因素较多，目前的研究主要集中在炭纸表面处理和孔径大小对水传输的影响，关于孔径梯度对水传输的研究工作很少。因此，本文将利用不同长径比碳纤维沉降速度的差异来构筑具有孔径梯度的炭纸，并通过液态水垂直渗透实验来研究水在炭纸内部孔隙中的流动，探究孔径梯度对水在炭纸内部传输的影响。

1 试 验

1.1 原料

碳纤维,直径为7 μm，长度分别为3 mm(CF3)、6 mm(CF6)、10 mm(CF10)，上海石化公司；聚氧化乙烯(PEO)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；聚酰亚胺薄膜(PI膜),厚度为0.025 mm，广州市北龙电子有限公司；……