氫燃料電池氣體擴散層的種類及制備方法

燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。

由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制，因此效率高; 另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料；同時沒有機械傳動部件，故沒有噪聲污染，排放出的有害氣體極少。

由此可見，從節約能源和保護生態環境的角度來看，燃料電池是較有發展前途的發電技術。

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一: 燃料電池GDL功能及要求

1：燃料電池GDL功能

GDL是燃料電池重要組件之一，其主要作用在于：

催化劑的載體
支撐電機結構
導電作用
均勻擴散氣體的作用
擴散層輸水作用

2：燃料電池GDL要求

均勻的多孔質結構，透氣性能好
電阻率低，電子傳導能力強
結構緊密且表面平整，減小接觸電阻，提高導電性能
具有一定的機械強度，適當的剛性與柔性，利于電極的制作，提供長期操作條

件下電極結構的穩定性
適當的親水/憎水平衡，防止過多的水分阻塞孔隙而導致氣體透過性能下降
具有較好的化學穩定性和熱穩定性。

3：燃料電池GDL特點

基于上述對氣體擴散層的要求，經過多年的研究與發展，目前成熟應用于燃料電池上的氣體擴散層用材料為碳材料

碳材料的優點: 兼顧較高的導電性和較強的抗電腐蝕性能，且成本較低，這是其他材料所不具備的優點。
碳材料的缺點: 碳材料性質較脆，不利于成型加工，對其微觀結構的控制也比較難。

因此，研究利用碳材料制備出性能優良的氣體擴散層成了研究的重點。

二：GDL的種類及制備方法

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1：GDL材料的種類及制備方法

GDL大體分為四種:碳纖維紙(碳紙)、碳纖維編織布、無紡布以及碳黑紙。由于原材料和制備工藝的不同，得到的擴散層材料的性能也不同。

GDL材料的種類及制備方法——碳紙

碳紙質量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙均勻且強度高，厚度可根據使用要求調整，適合耐久性燃料電池使用。

在制備碳紙時，除了準備原料、打漿抄紙、浸漬、固化這些步驟，還需碳化、石墨化處理。

晨昕的連續式碳化爐和連續式石墨化爐可以制作碳紙

GDL材料的種類及制備方法——碳纖維編織布

碳纖維編織布解決了碳紙存在的脆性較大的問題。但是碳纖維編織布在平面方向上容易伸縮，產生較大的變形，給電極的制備帶來困難。

碳纖維編織物表面平整度較差，催化劑附著得不均勻，給燃料電池的穩定性帶來影響。

GDL材料的種類及制備方法——無紡布

無紡布的特點是沒有經線和緯線，而且質量輕,有利于定型，彌補了碳纖維紙的脆性大和碳纖維編織布的易變形性，孔隙率可根據需要從原料階段進行控制。

但其工藝也較為復雜，強度和耐久性較差,容易從直角方向上開裂，很難達到燃料電池對耐久性的要求。

GDL材料的種類及制備方法——碳黑紙

碳黑紙是將碳粉和黏結劑分散均勻后通過熱壓成型工藝制成的平整的擴散層材料。炭粉一般是活性炭、炭黑、乙炔黑、石墨粉，或者是它們的混合物。黏結劑為聚偏-二氟乙烯或聚四氟Z烯等。

由于碳黑紙屬于脆性材料，難以成為理想的GDL材料。

三：GDL性質的表征與測試

在GDL中主要進行著反應氣體的傳遞、反應產物的轉移以及電子的傳輸。因此，考察GDL的性質即主要考察這三方面的傳遞能力。目前建立了一些物理手段來表征GDL的性質，主要包括GDL的流體傳輸特性、導電性、孔結構以及親疏水特性等。

1：流體傳輸特性

GDL中的流體主要是反應氣體、水蒸汽和液態水。氣體在擴散層中的主要傳遞方式為擴散，還包括部分的對流傳質。采用液體滲透率可以用來表征液體的流動阻力，將一定的液體放在多孔的GDL表面，施加一定壓力使液體流過GDL, 關聯流率與壓力降之間的關系就可以表征液體在GDL的傳遞能力。

2：孔結構

孔隙率、孔分布和孔體積是擴散層孔結構的重要參數。常用的孔結構測量儀器有壓汞儀和毛細管流動孔隙儀。

前者以汞作潤濕液，應用一定的壓力將汞壓入待測樣品的孔中。后者采用低表面能的硅樹脂為介質，在毛細力的作用下潤濕待測樣品后再加壓迫使其流出孔道。

但是兩種方法都不能反映電池運行時擴散層內的真實物質傳輸通道，因為氣體擴散層材料里的非連通孔是對物質傳輸沒有意義的，而在采用壓汞法或毛細管流動孔隙儀測量時斷孔、死孔都是包含在內的。

3：親/疏水性質

GDL的液體潤濕性即其親疏水性質也是影響燃料電池性能的重要因素之一。適宜的親/疏水孔比例有利于改善傳質、提高極限電流密度。表征GDL的親/疏水性質有兩種方法:

一是浸漬法，直接表征其親水孔和疏水孔孔體積；二是測量接觸角法，間接表征親/疏水性質。

浸漬法采用總孔體積減去親水孔孔體積即為憎水孔孔體積，這種方法的測量精度低，實驗誤差較大。接觸角的大小只反應了氣體擴散層的表面性質，由于擴散層表面的憎水性都比較強，但其內部憎水劑的分布又不一定很均勻，所以通過測量接觸角來判斷擴散層的親疏水性質是不準確的。

4：導電性

擴散層的導電性,根據測量方向的不同,一般有兩種測量方式。

對through-plane方向即GDL的厚度方向，一般采用加壓測量接觸電阻的方法，而對于in-plane方向的電阻多采用四點探針法。

一般through-plane方向的電阻要比in-plane方向的電阻大一個數量級，這是由于在碳紙制備過程中纖維的排列方向造成的碳紙的各向異性。

四：生產企業

氣體擴散層是氫燃料電池電堆的關鍵材料，但目前國內燃料電池生產商大多采用美國Avcarb、日本東麗、德國科德寶、SGL等廠商的氣體擴散層產品，氣體擴散層國產化亟需破局。

氣體擴散層的產業化涉及制漿造紙、涂布熱壓、碳化石墨化等多行業領域交叉，同時對工程技術平臺和公用工程平臺的依賴也比較大，這限制了很多企業入局。

盡管如此，通用氫能、仁豐特材等企業正走在加速追趕的路上，已為多家頭部企業小量供貨，逐漸打開市場應用突破口。

艾邦為大家整理了氫燃料電池氣體擴散層主要廠商，包括氣體擴散層結構及關鍵特性、氣體擴散層（GDL+MPL）制作工藝及氣體擴散層主要生產廠商的整理。

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來源：株洲晨昕、艾邦綜合整理

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