质子交换膜氢燃料电池气体扩散层及其现状

质子交换膜氢燃料电池（PEMFC）被国内外的专家学者普遍认为是解决新能源汽车问题的最终方案。燃料电池在1839年就被发明出来，比锂离子电池早发明100多年，但是到目前为止，燃料电池仍然没有像锂离子电池一样从1992年开始得到了大规模应用，其主要原因是：尽管二者均由四大关键材料组合而成，但是组成燃料电池的四大关键材料部件双极板、气体扩散层、催化层、质子交换膜制造加工难道高，成本居高不下。

其中，气体扩散层（GDL）是质子交换膜氢燃料电池（PEMFC）的重要组件，起到支撑催化剂层并提供反应气体和生成水的通道，同时还要具备比较良好的导电性能及在电化学反应下的抗腐蚀能力。因此扩散层（GDL）材料的性能直接影响着电化学反应的进行和电池的工作效率。选用高性能的GDL材料，有利于改善膜电极的综合性能。

目前国家已经出台了详细的补助方案，关键材料只要达标国产化生产就能享受国家大额补贴，这不但对目前的生产活动起到巨大推进作用，也将会对燃料电池未来的发展奠定良好的技术和产业基础。

图 膜电极组成

想要了解气体扩散层的重要性，就要了解氢燃料电池电堆的组成。一组电堆是由数量不等的单电池串联而成。位于单电池最中心位置的组件是质子交换膜，膜的两边分别涂有催化层，而气体扩散层就位于催化层的两侧。单电池的最外侧是两块双极板，这七层结构构成了一个单电池。正因为气体扩散层位于单电池的中部且起到连接双极板和催化层的作用因此它的性能对燃料电池总体的性能有着很大的影响。

1、气体扩散层特性

气体扩散层（GDL）是燃料电池核心组件膜电极的重要组成部分，在氢燃料电池系统中担当水气输运、热量传递、电子传导的载体，并在装配和运行过程中为其他组件提供结构支撑的功能。因此GDL材料的性能直接影响着电化学反应的进行和电池的工作效率。

气体扩散层具有以下特性：

• 产物水扩散与传输。气体扩散层应当具有高的孔隙率和适宜的孔径分布。

• 导热。电池在反应过程中会产生热量，而这些热量需要通过气体扩散层传导到双极板，才能使膜电极在反应中温度不会过高。

• 机械支撑。在膜电极组件中，气体扩散层扮演着支撑 CCM角色，即保护催化层和质子膜作用。

• 导电。作为收集催化层反应产生电子的重要部分，导电是气体扩散层必须具备的性能。同时还应具有化学稳定性和热稳定性。

2、气体扩散层材料技术

气体扩散层（GDL）通常由基底层和微孔层组成。基底层经过疏水处理后，在其上涂覆单层或多层微孔层，从而制成气体扩散层。其中，基底层通常由碳纤维各向异性堆叠组成，直接与双极板接触；微孔层由纳米碳分和疏水材料混合而成，直接与催化层接触。

目前基底层主要是由多孔的碳纤维纸或碳纤维布构成。碳纤维纸和碳纤维布的多孔结构为反应物气体以及产物水提供了传导的通道。碳纤维纸是以碳纤维主要材料，辅以黏合剂经抄纸工艺而制得的纸状材料。微孔层是由将导电炭黑和疏水剂用溶剂混合均匀后得到的黏稠浆料，采用丝网印刷、喷涂或涂布方式将其涂覆到基底层表面，经过高温固化，得到微孔层。而完成微孔层的涂覆后的基底层进一步优化了微观上的传质、传热、导水和导电性能。因此，基底层和微孔层共同决定了气体扩散层的产品特性。

气体扩散层（GDL）在电池中起到支撑催化剂层并提供反应气体和生成水的通道，同时还要具备比较良好的导电性能及在电化学反应下的抗腐蚀能力。因此GDL材料的性能直接影响着电化学反应的进行和电池的工作效率。选用高性能的GDL材料，有利于改善膜电极的综合性能。

3、气体扩散层发展

未来，气体扩散层有两个发展方向：

1）设计具有梯度孔径的GDL，以提高膜电极本身的传质能力。例 如，降低 GDL 一侧或两侧的孔隙率可以降低接触电阻并在 GDL 内部产生孔隙梯度，以促 进反应物供应和水分去除。

2）采用“集成双极板-膜电极”或“无气体扩散层”设计，减少或消除界面电阻，以同时满足导电、气体分配和水管理的要求。

美国能源部（DOE）数据显示，GDL规模化生产将会带来大幅的成本降低。每生产10万套质子交换膜燃料电池系统，其中GDL占比9%，每生产50万套质子交换膜燃料电池系统，GDL占比6%。 

我国气体扩散层技术层面已经可以对标国际先进产品，规模化生产可期。国外有日本东丽（Toray）及三菱（Mitsubishi）、德国西格里（SGL）和科德宝（Feudenberg）、美国AvCarb，韩国JNTG等制造厂商，都已实现气体扩散层的规模化生产，且都有多款适应不同场景的产品销售。

国内碳纸类材料的实验室技术可对标国际部分先进产品水平，有望逐渐进入到产业化阶段，主要企业有通用氢能、江苏氢电、江苏清能、上海河森电气、中国台湾碳能等。

现阶段，燃料电池生产商大多采用日本东丽、美国Avcarb、德国SGL等厂商的气体扩散层产品，其中日本东丽、Avcarb占据较大的市场份额。日本东丽公司生产和销售的碳纸在全球占据领先地位，其生产的碳纤维纸具有高导电性、高透气率、高强度等多种优点。德国 SGL 公司主要生产高导电性和高孔隙率低成本碳纤维纸；加拿大巴拉德主要集中在炭纸处理、微孔层水管理设计。

业内人士认为，气体扩散层、催化层和质子交换膜等氢燃料电池核心材料在加速研发中，目前普遍处于送样测试验证阶段。由于产品从送样测试到批量化生产预计需要2至3年时间，因此预计未来2至3年有望完全实现氢燃料电池产业链国产化应。

可以说，随着国内燃料电池汽车市场的崛起，作为电堆膜电极关键材料的气体扩散层正在加速开启国产化，政策方面也已有了相关补助，按照示范期的补贴政策，投入运营的氢燃料电池汽车中导入国产气体扩散层可以获得0.3分的奖励，国产化突围或许是一个艰难的过程，在技术层面已经可以对标国际先进产品的背景下，通用氢能等企业正走在加速追赶的路上，国产气体扩散层规模化生产可期。