氢燃料电池气体扩散层的种类及制备方法

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。

由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高; 另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。

由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是较有发展前途的发电技术。

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一: 燃料电池GDL功能及要求

1：燃料电池GDL功能

GDL是燃料电池重要组件之一，其主要作用在于：

催化剂的载体
支撑电机结构
导电作用
均匀扩散气体的作用
扩散层输水作用

2：燃料电池GDL要求

均匀的多孔质结构，透气性能好
电阻率低，电子传导能力强
结构紧密且表面平整，减小接触电阻，提高导电性能
具有一定的机械强度，适当的刚性与柔性，利于电极的制作，提供长期操作条

件下电极结构的稳定性
适当的亲水/憎水平衡，防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降
具有较好的化学稳定性和热稳定性。

3：燃料电池GDL特点

基于上述对气体扩散层的要求，经过多年的研究与发展，目前成熟应用于燃料电池上的气体扩散层用材料为碳材料

碳材料的优点: 兼顾较高的导电性和较强的抗电腐蚀性能，且成本较低，这是其他材料所不具备的优点。
碳材料的缺点: 碳材料性质较脆，不利于成型加工，对其微观结构的控制也比较难。

因此，研究利用碳材料制备出性能优良的气体扩散层成了研究的重点。

二：GDL的种类及制备方法

1：GDL材料的种类及制备方法

GDL大体分为四种:碳纤维纸(碳纸)、碳纤维编织布、无纺布以及碳黑纸。由于原材料和制备工艺的不同，得到的扩散层材料的性能也不同。

GDL材料的种类及制备方法——碳纸

碳纸质量轻、表面平整、耐腐蚀、孔隙均匀且强度高，厚度可根据使用要求调整，适合耐久性燃料电池使用。

在制备碳纸时，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。

晨昕的连续式碳化炉和连续式石墨化炉可以制作碳纸

GDL材料的种类及制备方法——碳纤维编织布

碳纤维编织布解决了碳纸存在的脆性较大的问题。但是碳纤维编织布在平面方向上容易伸缩，产生较大的变形，给电极的制备带来困难。

碳纤维编织物表面平整度较差，催化剂附着得不均匀，给燃料电池的稳定性带来影响。

GDL材料的种类及制备方法——无纺布

无纺布的特点是没有经线和纬线，而且质量轻,有利于定型，弥补了碳纤维纸的脆性大和碳纤维编织布的易变形性，孔隙率可根据需要从原料阶段进行控制。

但其工艺也较为复杂，强度和耐久性较差,容易从直角方向上开裂，很难达到燃料电池对耐久性的要求。

GDL材料的种类及制备方法——碳黑纸

碳黑纸是将碳粉和黏结剂分散均匀后通过热压成型工艺制成的平整的扩散层材料。炭粉一般是活性炭、炭黑、乙炔黑、石墨粉，或者是它们的混合物。黏结剂为聚偏-二氟乙烯或聚四氟Z烯等。

由于碳黑纸属于脆性材料，难以成为理想的GDL材料。

三：GDL性质的表征与测试

在GDL中主要进行着反应气体的传递、反应产物的转移以及电子的传输。因此，考察GDL的性质即主要考察这三方面的传递能力。目前建立了一些物理手段来表征GDL的性质，主要包括GDL的流体传输特性、导电性、孔结构以及亲疏水特性等。

1：流体传输特性

GDL中的流体主要是反应气体、水蒸汽和液态水。气体在扩散层中的主要传递方式为扩散，还包括部分的对流传质。采用液体渗透率可以用来表征液体的流动阻力，将一定的液体放在多孔的GDL表面，施加一定压力使液体流过GDL, 关联流率与压力降之间的关系就可以表征液体在GDL的传递能力。

2：孔结构

孔隙率、孔分布和孔体积是扩散层孔结构的重要参数。常用的孔结构测量仪器有压汞仪和毛细管流动孔隙仪。

前者以汞作润湿液，应用一定的压力将汞压入待测样品的孔中。后者采用低表面能的硅树脂为介质，在毛细力的作用下润湿待测样品后再加压迫使其流出孔道。

但是两种方法都不能反映电池运行时扩散层内的真实物质传输通道，因为气体扩散层材料里的非连通孔是对物质传输没有意义的，而在采用压汞法或毛细管流动孔隙仪测量时断孔、死孔都是包含在内的。

3：亲/疏水性质

GDL的液体润湿性即其亲疏水性质也是影响燃料电池性能的重要因素之一。适宜的亲/疏水孔比例有利于改善传质、提高极限电流密度。表征GDL的亲/疏水性质有两种方法:

一是浸渍法，直接表征其亲水孔和疏水孔孔体积；二是测量接触角法，间接表征亲/疏水性质。

浸渍法采用总孔体积减去亲水孔孔体积即为憎水孔孔体积，这种方法的测量精度低，实验误差较大。接触角的大小只反应了气体扩散层的表面性质，由于扩散层表面的憎水性都比较强，但其内部憎水剂的分布又不一定很均匀，所以通过测量接触角来判断扩散层的亲疏水性质是不准确的。

4：导电性

扩散层的导电性,根据测量方向的不同,一般有两种测量方式。

对through-plane方向即GDL的厚度方向，一般采用加压测量接触电阻的方法，而对于in-plane方向的电阻多采用四点探针法。

一般through-plane方向的电阻要比in-plane方向的电阻大一个数量级，这是由于在碳纸制备过程中纤维的排列方向造成的碳纸的各向异性。

四：生产企业

气体扩散层是氢燃料电池电堆的关键材料，但目前国内燃料电池生产商大多采用美国Avcarb、日本东丽、德国科德宝、SGL等厂商的气体扩散层产品，气体扩散层国产化亟需破局。

气体扩散层的产业化涉及制浆造纸、涂布热压、碳化石墨化等多行业领域交叉，同时对工程技术平台和公用工程平台的依赖也比较大，这限制了很多企业入局。

尽管如此，通用氢能、仁丰特材等企业正走在加速追赶的路上，已为多家头部企业小量供货，逐渐打开市场应用突破口。

艾邦为大家整理了氢燃料电池气体扩散层主要厂商，包括气体扩散层结构及关键特性、气体扩散层（GDL+MPL）制作工艺及气体扩散层主要生产厂商的整理。

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来源：株洲晨昕、艾邦综合整理

原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：氢燃料电池气体扩散层的种类及制备方法

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