質子交換膜氫燃料電池氣體擴散層及其現狀

質子交換膜氫燃料電池（PEMFC）被國內外的專家學者普遍認為是解決新能源汽車問題的最終方案。燃料電池在1839年就被發明出來，比鋰離子電池早發明100多年，但是到目前為止，燃料電池仍然沒有像鋰離子電池一樣從1992年開始得到了大規模應用，其主要原因是：盡管二者均由四大關鍵材料組合而成，但是組成燃料電池的四大關鍵材料部件雙極板、氣體擴散層、催化層、質子交換膜制造加工難道高，成本居高不下。

其中，氣體擴散層（GDL）是質子交換膜氫燃料電池（PEMFC）的重要組件，起到支撐催化劑層并提供反應氣體和生成水的通道，同時還要具備比較良好的導電性能及在電化學反應下的抗腐蝕能力。因此擴散層（GDL）材料的性能直接影響著電化學反應的進行和電池的工作效率。選用高性能的GDL材料，有利于改善膜電極的綜合性能。

目前國家已經出臺了詳細的補助方案，關鍵材料只要達標國產化生產就能享受國家大額補貼，這不但對目前的生產活動起到巨大推進作用，也將會對燃料電池未來的發展奠定良好的技術和產業基礎。

圖 膜電極組成

想要了解氣體擴散層的重要性，就要了解氫燃料電池電堆的組成。一組電堆是由數量不等的單電池串聯而成。位于單電池最中心位置的組件是質子交換膜，膜的兩邊分別涂有催化層，而氣體擴散層就位于催化層的兩側。單電池的最外側是兩塊雙極板，這七層結構構成了一個單電池。正因為氣體擴散層位于單電池的中部且起到連接雙極板和催化層的作用因此它的性能對燃料電池總體的性能有著很大的影響。

1、氣體擴散層特性

氣體擴散層（GDL）是燃料電池核心組件膜電極的重要組成部分，在氫燃料電池系統中擔當水氣輸運、熱量傳遞、電子傳導的載體，并在裝配和運行過程中為其他組件提供結構支撐的功能。因此GDL材料的性能直接影響著電化學反應的進行和電池的工作效率。

氣體擴散層具有以下特性：

• 產物水擴散與傳輸。氣體擴散層應當具有高的孔隙率和適宜的孔徑分布。

• 導熱。電池在反應過程中會產生熱量，而這些熱量需要通過氣體擴散層傳導到雙極板，才能使膜電極在反應中溫度不會過高。

• 機械支撐。在膜電極組件中，氣體擴散層扮演著支撐 CCM角色，即保護催化層和質子膜作用。

• 導電。作為收集催化層反應產生電子的重要部分，導電是氣體擴散層必須具備的性能。同時還應具有化學穩定性和熱穩定性。

2、氣體擴散層材料技術

氣體擴散層（GDL）通常由基底層和微孔層組成。基底層經過疏水處理后，在其上涂覆單層或多層微孔層，從而制成氣體擴散層。其中，基底層通常由碳纖維各向異性堆疊組成，直接與雙極板接觸；微孔層由納米碳分和疏水材料混合而成，直接與催化層接觸。

目前基底層主要是由多孔的碳纖維紙或碳纖維布構成。碳纖維紙和碳纖維布的多孔結構為反應物氣體以及產物水提供了傳導的通道。碳纖維紙是以碳纖維主要材料，輔以黏合劑經抄紙工藝而制得的紙狀材料。微孔層是由將導電炭黑和疏水劑用溶劑混合均勻后得到的黏稠漿料，采用絲網印刷、噴涂或涂布方式將其涂覆到基底層表面，經過高溫固化，得到微孔層。而完成微孔層的涂覆后的基底層進一步優化了微觀上的傳質、傳熱、導水和導電性能。因此，基底層和微孔層共同決定了氣體擴散層的產品特性。

氣體擴散層（GDL）在電池中起到支撐催化劑層并提供反應氣體和生成水的通道，同時還要具備比較良好的導電性能及在電化學反應下的抗腐蝕能力。因此GDL材料的性能直接影響著電化學反應的進行和電池的工作效率。選用高性能的GDL材料，有利于改善膜電極的綜合性能。

3、氣體擴散層發展

未來，氣體擴散層有兩個發展方向：

1）設計具有梯度孔徑的GDL，以提高膜電極本身的傳質能力。例 如，降低 GDL 一側或兩側的孔隙率可以降低接觸電阻并在 GDL 內部產生孔隙梯度，以促 進反應物供應和水分去除。

2）采用“集成雙極板-膜電極”或“無氣體擴散層”設計，減少或消除界面電阻，以同時滿足導電、氣體分配和水管理的要求。

美國能源部（DOE）數據顯示，GDL規模化生產將會帶來大幅的成本降低。每生產10萬套質子交換膜燃料電池系統，其中GDL占比9%，每生產50萬套質子交換膜燃料電池系統，GDL占比6%。?

我國氣體擴散層技術層面已經可以對標國際先進產品，規模化生產可期。國外有日本東麗（Toray）及三菱（Mitsubishi）、德國西格里（SGL）和科德寶（Feudenberg）、美國AvCarb，韓國JNTG等制造廠商，都已實現氣體擴散層的規模化生產，且都有多款適應不同場景的產品銷售。

國內碳紙類材料的實驗室技術可對標國際部分先進產品水平，有望逐漸進入到產業化階段，主要企業有通用氫能、江蘇氫電、江蘇清能、上海河森電氣、中國臺灣碳能等。

現階段，燃料電池生產商大多采用日本東麗、美國Avcarb、德國SGL等廠商的氣體擴散層產品，其中日本東麗、Avcarb占據較大的市場份額。日本東麗公司生產和銷售的碳紙在全球占據領先地位，其生產的碳纖維紙具有高導電性、高透氣率、高強度等多種優點。德國 SGL 公司主要生產高導電性和高孔隙率低成本碳纖維紙；加拿大巴拉德主要集中在炭紙處理、微孔層水管理設計。

業內人士認為，氣體擴散層、催化層和質子交換膜等氫燃料電池核心材料在加速研發中，目前普遍處于送樣測試驗證階段。由于產品從送樣測試到批量化生產預計需要2至3年時間，因此預計未來2至3年有望完全實現氫燃料電池產業鏈國產化應。

可以說，隨著國內燃料電池汽車市場的崛起，作為電堆膜電極關鍵材料的氣體擴散層正在加速開啟國產化，政策方面也已有了相關補助，按照示范期的補貼政策，投入運營的氫燃料電池汽車中導入國產氣體擴散層可以獲得0.3分的獎勵，國產化突圍或許是一個艱難的過程，在技術層面已經可以對標國際先進產品的背景下，通用氫能等企業正走在加速追趕的路上，國產氣體擴散層規模化生產可期。