質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層研究進(jìn)展

曹婷婷 崔新然 馬千里 王茁 韓聰 米新艷 于力娜 張克金

（一汽解放商用車開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：質(zhì)子交換膜燃料電池 氣體擴(kuò)散層 氣體傳導(dǎo) 電子傳遞 水管理

縮略語

GDL Gas Diffusion Layer

GDB Gas Diffusion Barrier

PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cells

MPL Micro-Porous Layer

1 前言

近年來，質(zhì)子交換膜燃料電池電堆因其清潔、高效的優(yōu)點(diǎn)，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。隨著國內(nèi)車企對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的投入力度加大，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈迅速發(fā)展，根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2019年國內(nèi)燃料電池汽車產(chǎn)銷分別為2 833輛和2 737輛，同比分別增長85.5%和79.2%，保有量超過6 000 輛，截至2020年12 月，國內(nèi)燃料電池連續(xù)5年銷量總和達(dá)到7 168輛。并有望在2020年實(shí)現(xiàn)萬輛突破。

氣體擴(kuò)散層（Gas Diffusion Layer,GDL）作為燃料電池核心組件膜電極的重要組成部分，通常由導(dǎo)電性能較好的多孔材料組成，在結(jié)構(gòu)上具有各向異性的多孔微觀形貌，承擔(dān)電堆中氣體傳輸分配、電子傳導(dǎo)、支撐催化層、改善水管理等多種作用，是影響燃料電池電化學(xué)性能的關(guān)鍵部件之一[1]。

本文介紹了GDL 的技術(shù)、產(chǎn)品和市場(chǎng)發(fā)展情況，對(duì)GDL 的結(jié)構(gòu)組成、作用機(jī)理、制備工藝和性能測(cè)試進(jìn)行闡述，并結(jié)合燃料電池電堆的發(fā)展趨勢(shì)，描述了GDL未來的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 技術(shù)、產(chǎn)品和市場(chǎng)發(fā)展

GDL主要采用碳纖維紙和碳纖維布，以及石墨紙等為基材層（Gas Diffusion Barrier,GDB），并在其表面上涂覆微孔層（Micro-Porous Layer,MPL）后形成電化學(xué)復(fù)合材料體系。

圖1 氣體擴(kuò)散層電子顯微鏡照片[2]：圖中(a)(c)為碳纖維布的平面及斷面掃描電鏡照片；(b)(d)為碳纖維紙的平面及斷面掃描電鏡照片

總體上，GDB通常選用能導(dǎo)電的碳纖維紙及碳纖維布，它的宏觀有序或微觀無序排列的纖維結(jié)構(gòu)為氣體及水的傳導(dǎo)建立孔隙結(jié)構(gòu)（圖1）。碳纖維紙和碳纖維布的制備屬于造紙的化學(xué)工業(yè)范疇，碳纖維絲通過不同的工藝交疊粘接在一起，形成相對(duì)致密、形狀不規(guī)則的氣孔組合，這些氣孔可以承擔(dān)反應(yīng)氣體、產(chǎn)物水的導(dǎo)通，而完成MPL 的涂覆后的GDB 進(jìn)一步優(yōu)化了微觀上的傳質(zhì)、傳熱、導(dǎo)水和導(dǎo)電性能。因此，GDB和MPL決定了GDL的產(chǎn)品特性。

目前，國外高性能碳纖維紙生產(chǎn)能力主要集中在日本、美國和德國，我國碳纖維發(fā)展從20世紀(jì)80年代中期開始[3]，國產(chǎn)碳纖維與進(jìn)口高性能碳纖維原材之間還存在一定的差距。由于起步較晚，國內(nèi)自主的用于電堆的碳纖維紙產(chǎn)業(yè)仍幾乎屬于空白，已有的樣品，很難同時(shí)滿足電堆對(duì)于GDL低電阻率、高滲透性、超薄、機(jī)械強(qiáng)度大的要求。

表1 是目前世界上典型GDL 公司及產(chǎn)品特點(diǎn)并根據(jù)已知的銷售量進(jìn)行了市場(chǎng)占有率分析。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，德國SGL 公司生產(chǎn)的GDL 市場(chǎng)占有率最高，其產(chǎn)品系列齊全，產(chǎn)量大且產(chǎn)品能力強(qiáng)，這歸結(jié)于SGL 公司的長期從事碳材料的開發(fā)積累；日本Toray公司，在碳纖維原料和碳紙方面占技術(shù)制高點(diǎn)，在售產(chǎn)品需要按協(xié)議進(jìn)行專屬銷售，約束條款多，市面上很難獲得其GDL產(chǎn)品；美國Avcarb為電堆制造商巴拉德的長期戰(zhàn)略伙伴，巴拉德9SSL和LCS等電堆均采用該公司的GDL。

表1 典型GDL公司及產(chǎn)品特性

因此，國內(nèi)燃料電池廠家以及GDL廠家普遍是進(jìn)口碳纖維紙GDB，各自采用疏水處理+并涂覆MPL 層的生產(chǎn)工藝，二次加工成為GDL，產(chǎn)品性能與進(jìn)口GDL 接近，但價(jià)格及產(chǎn)量受原材料制約較大，性價(jià)比低，有限的產(chǎn)量不足以支撐我國燃料電池產(chǎn)業(yè)需求。

根據(jù)中國汽車工程學(xué)會(huì)2020年10月27日發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》[4]及2020年9 月21日五部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》[5]，燃料電池將進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化布局，預(yù)計(jì)2025年燃料電池汽車將實(shí)現(xiàn)10 萬輛運(yùn)行狀態(tài)，電堆成本將進(jìn)一步降低。根據(jù)碳纖維量產(chǎn)成本及燃料電池電堆市場(chǎng)價(jià)格成本解析，GDL 實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化以后，預(yù)計(jì)成本能從當(dāng)前進(jìn)口的200～300 美元/m2（1300～1500人民幣/m2）降低到80 美元/m2(520 人民幣/m2)以下。

3 氣體擴(kuò)散層產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能定義

3.1 氣體擴(kuò)散層的GDB層

基材層（GDB）和微孔層（MPL）2部分組成氣體擴(kuò)散層（GDL），通常GDL 厚度為100～400 μm，在電堆中的疊放方式如圖2所示?；膶邮菤怏w擴(kuò)散層的主體骨架，不同的GDB 原料具有多種不同的孔道結(jié)構(gòu)，碳纖維紙具備的非貫穿孔結(jié)構(gòu)，孔隙率為70%左右。

由于氣體擴(kuò)散層的傳輸結(jié)構(gòu)主要用于反應(yīng)氣體的均勻傳導(dǎo)和水管理，由GDB 和MPL 共同承擔(dān)，GDB層，由基體本身碳纖維交疊產(chǎn)生的孔隙結(jié)構(gòu)搭建，通過疏水劑的添加形成疏水的孔隙結(jié)構(gòu)，更有利于GDL孔隙分布及水的排出。通常，GDB中80%以上的孔是孔徑超過50～150 μm 的大孔，孔徑單一，調(diào)節(jié)氣以及水管理能力有限；這些大孔的存在將會(huì)減少與催化劑層的有效接觸面積，造成面電阻增大，影響電堆的整體性能發(fā)揮。

圖2 GDL結(jié)構(gòu)示意

3.2 氣體擴(kuò)散層的MPL層

電堆內(nèi)部最復(fù)雜的問題是界面化學(xué)以及調(diào)控，僅僅GDB 的宏觀結(jié)構(gòu)難以完全滿足界面電化學(xué)反應(yīng)最優(yōu)化的要求，因此，需要應(yīng)用MPL。MPL 的實(shí)施是通過在漿料配方中添加造孔劑及將該漿料涂覆在GDB上，通常采用噴涂、印刷、熱壓等方法粘結(jié)固定到基底層GDB上，生成的密集的狹縫或更小的氣孔結(jié)構(gòu)。這個(gè)薄碳粉層，厚度約為5～100 μm，根據(jù)導(dǎo)電碳粉的摻雜量來改良基底層較大的孔隙結(jié)構(gòu)，MPL層的孔大多在10～50 μm級(jí)別，均勻孔隙，在不影響均勻分散和傳輸導(dǎo)通氣體的前提下，起到水管理的作用。更重要的是，MPL 改善了與MEA 催化劑質(zhì)點(diǎn)的貼合性，降低催化層與GDL 之間的接觸電阻[1]，從而改善界面電化學(xué)反應(yīng)。

GDL的水管理對(duì)PEMFC 的性能穩(wěn)定性和可靠性有重要意義。除溫度、氣-液相平衡對(duì)水管理的影響外，壓縮對(duì)于GDL 中的水管理同樣有具有較大影響。親水性GDL，壓縮有助于脊下GDL 中水的堆積；而對(duì)于疏水性GDL，在流道下方有更多的水沉積[6-7]。

不同的GDL基材內(nèi)部的水傳導(dǎo)方式各不相同，相對(duì)于碳纖維紙?zhí)祭w維布基材更有利于GDL 中水傳導(dǎo)。一些研究表明，當(dāng)電流密度較低時(shí)，GDL 中不含液態(tài)水，隨著電流密度的升高，液態(tài)水開始在陰極出現(xiàn)，隨后出現(xiàn)在陽極[8]。

為了在GDL 中搭建疏水的氣態(tài)水通道和親水的液態(tài)水傳輸通道，需要對(duì)GDL 進(jìn)行疏水處理，并在疏水處理后制備MPL 層改善GDL 表面形貌及孔隙結(jié)構(gòu)。通常以聚四氟乙烯（PTFE）為疏水劑，疏水漿液中PTFE 的含量增加，GDL 中疏水GDL 比例不斷增加（表2）。

表2 不同PTFE濃度疏水處理后GDL疏水性

3.3 氣體擴(kuò)散層GDL的功能定義

GDL 的材料本身具備一定的導(dǎo)電、導(dǎo)熱特性，但是水管理功能需要專門的調(diào)控才能實(shí)現(xiàn)；電堆中有液態(tài)和氣態(tài)水的存在，一方面是反應(yīng)氣體輸入的氣態(tài)水，一方面是電化學(xué)反應(yīng)的生成物液體水，氣/液相間的平衡受電堆溫度和蒸氣壓限制。GDL 內(nèi)部及電堆內(nèi)部的傳質(zhì)過程如圖3 所示[9]，氣/液態(tài)水均由催化層向雙極板流場(chǎng)傳質(zhì)，氣態(tài)水主要以擴(kuò)散方式傳遞，依據(jù)濃差方程傳質(zhì)，液態(tài)水的傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力是毛細(xì)壓。液態(tài)水的傳遞方式是相互的，既可以通過親水孔將液態(tài)水傳遞到催化層，也可以將催化層產(chǎn)生的過量的水傳遞到流場(chǎng)。而反應(yīng)氣體輸入的氣態(tài)水在催化劑層凝結(jié)成小水滴，填充到擴(kuò)散層的傳輸孔隙中，直至相互之間形成連續(xù)的流動(dòng)相[10-11]。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，改變MPL層的孔徑，可以提高燃料電池的水管理能力。

圖3 PEMFC內(nèi)部水-氣傳質(zhì)過程[9]

燃料電池系統(tǒng)的性能要求作為電堆開發(fā)的邊界條件，再把電堆的各項(xiàng)指標(biāo)平衡的分解到各個(gè)核心組件上，經(jīng)過仿真計(jì)算以及實(shí)際樣件的模擬測(cè)試和結(jié)果修正，就可以獲得GDL設(shè)計(jì)過程中的性能參數(shù)定義。

（1）厚度

車用燃料電池較為強(qiáng)調(diào)功率密度，因此將嚴(yán)格限制電堆的體積，在保證GDL性能的前提下提出減薄的需求；HGDL=HGDB+HMPL（其中，H代表厚度），通常情況下，同等克重的碳布厚度要大于碳紙，因此，超薄碳紙成為未來GDB的主流和首選。

（2）強(qiáng)度

該指標(biāo)是由GDB 的強(qiáng)度決定的；顯而易見，碳布的強(qiáng)度優(yōu)于碳紙；對(duì)碳紙來講，應(yīng)具有滿足完成所有制備操作所需要的強(qiáng)度，且在電堆組裝應(yīng)力和整車復(fù)雜運(yùn)行工況的條件下不會(huì)發(fā)生孔結(jié)構(gòu)的坍塌。

（3）導(dǎo)電性

以碳纖維為基材所制備的碳布和碳紙，都具備基本的導(dǎo)電性能；但是，由于含有樹脂和粘結(jié)劑，這將對(duì)GDL 的導(dǎo)電性能造成一定影響。RGDL=RGDB+RMPL(其中R為各部分的電阻)；需要電化學(xué)模擬計(jì)算優(yōu)化后，再平衡調(diào)控。

（4）親水性/憎水性平衡

親水性是碳材的基本性能，但是親水性過高，會(huì)導(dǎo)致電堆內(nèi)部排水不暢，甚至出現(xiàn)水分區(qū)域性聚集，從而造成膜電極水淹，嚴(yán)重影響電堆輸出性能；憎水性太高，GDL 2側(cè)水分傳輸受阻，無法有效調(diào)節(jié)電極反應(yīng)區(qū)域的水分平衡。因此需要綜合考慮電堆工作的溫濕度條件，分別調(diào)控GDB和MPL的親水性。

（5）透氣率

GDL 具有多孔的結(jié)構(gòu)，同雙極板組合后，會(huì)影響系統(tǒng)的背壓和流體擴(kuò)散效率，在不同運(yùn)行工況下，其透氣性能的優(yōu)劣會(huì)直接影響系統(tǒng)功率的穩(wěn)定性。透氣率與GDL孔隙率和壓縮率有關(guān)，通常GDL孔隙率在60%～80%之間。

4 氣體擴(kuò)散層的制備及優(yōu)化

4.1 GDB制備工藝

基體材料疏水處理是基本工序。通常采用聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯[13]、氟化乙丙烯[14]等作為疏水劑，最為常用的疏水劑為聚四氟乙烯。處理方法為將基體材料碳纖維紙或碳纖維布均勻的浸泡在一定濃度的聚四氟乙烯乳液中，控制疏水處理的時(shí)間；將基體材料從疏水劑中取出，通過懸掛、流平、擦拭等方法去除基體材料表面多余的疏水劑，將浸漬了聚四氟乙烯乳液的基底材料先置于真空烘箱中去除95%的水分，再置于340 ℃～350 ℃的高溫烘箱內(nèi)燒結(jié)固化，使聚四氟乙烯受熱均勻的覆蓋在基體材料的纖維絲上，從而使基底材料傳輸結(jié)構(gòu)具有疏水功能，完成GDB的制備。

除上述浸漬方法外，疏水處理還可以使用噴涂、刷涂等方法轉(zhuǎn)移到基體材料上。為增大基底材料疏水處理后的導(dǎo)電性能，還可在疏水劑中加入導(dǎo)電炭黑，但導(dǎo)電炭黑比例過大會(huì)降低GDB疏水性能。

疏水劑的含量直接影響GDL水傳輸?shù)男阅?，單?dú)使用疏水劑進(jìn)行處理的基底材料接觸角最大，隨著疏水劑比例的增大，基底材料的疏水性能不斷增加，但疏水劑比例增加會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性能降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)PTFE比例達(dá)到20%時(shí)，基底材料疏水性能、導(dǎo)電性最好[7]。

4.2 MPL制備工藝

將導(dǎo)電炭黑和疏水劑、造孔劑用溶劑混合分散均勻，得到粘稠的糊狀漿料。采用絲網(wǎng)印刷、噴涂或涂布方式將涂覆到GDB 表面，經(jīng)過高溫固化，得到MPL。導(dǎo)電炭黑的選擇常用Vulcan XC-72、Kejen Black 和乙炔黑等，多項(xiàng)研究結(jié)果表明導(dǎo)電炭黑的種類不同，制備出的MPL 存在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)根本性差異，并影響電堆的性能輸出[15]。

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)卷繞式的微孔層涂覆生產(chǎn)工藝，漿料需具備較高的均勻性，并且能夠在2 h內(nèi)不沉降，漿液的狀態(tài)決定MPL層的性能。

隨著基體碳紙的連續(xù)卷繞式生產(chǎn)越來越普及，微孔層涂覆的生產(chǎn)節(jié)奏要求也越來越高。圖4是連續(xù)式制備工藝流程。漿液固定到GDB層后，可以通過緩慢加熱至340 ℃～350 ℃的方式完成燒結(jié)，圖5為GDB 層與MPL層對(duì)比照片。

圖4 MPL連續(xù)式制備工藝流程

圖5 GDB(左)涂覆MPL后(右)的外觀

在目前的生產(chǎn)工藝中，印刷方式和燒結(jié)時(shí)間、燒結(jié)溫度可以在一定程度上改善擴(kuò)散層的孔隙結(jié)構(gòu)，減小接觸電阻，從而優(yōu)化擴(kuò)散層的工作性能[16]。

4.3 氣體擴(kuò)散層GDL的制備及優(yōu)化

總體上，在完成GDB 和MPL 制備過程以后，就已經(jīng)基本完成了GDL的工藝流程；GDL的工藝優(yōu)化是制備中所有的環(huán)節(jié)共同優(yōu)化的結(jié)果；但是未來的市場(chǎng)上，GDL 完全可能作為一個(gè)獨(dú)立的商品化材料，GDL的制備工藝流程見圖6所示。

圖6 GDL制備工藝流程

4.4 GDL性能測(cè)試

完成GDB 和MPL 設(shè)計(jì)定義以及制備過程后，商品化的氣體擴(kuò)散層GDL在投入使用前，需要進(jìn)行完整的性能測(cè)試和表征，主要集中在氣體傳輸、電子傳導(dǎo)、水管理3個(gè)方面，除了使用極化曲線進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試外，還集中在厚度、孔隙率、面密度、親/疏水特性、瀝濾試驗(yàn)、透氣性、平面內(nèi)電阻及貫通面電阻這些物理特性方面。

4.4.1 厚度

GDL的厚度直接影響其內(nèi)部的傳輸結(jié)構(gòu)，過厚的GDL 會(huì)加長氣體傳輸路徑、增加傳質(zhì)阻力，進(jìn)而產(chǎn)生較為嚴(yán)重的極化現(xiàn)象；過薄的GDL又會(huì)削弱對(duì)催化層的保護(hù)作用，造成催化劑的流失與滲透，降低電化學(xué)反應(yīng)活性面積。由于GDL 基底層具有多向異性的特點(diǎn)，壓力增大，GDL 厚度隨壓力變化[17]，基底層進(jìn)行堆積，孔隙結(jié)構(gòu)壓縮導(dǎo)致孔隙率降低。圖7 所示是GDL厚度隨壓力變化的曲線。厚度的測(cè)量可選擇膜厚儀或可調(diào)節(jié)壓緊力的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行。

圖7 GDL厚度隨壓力變化的曲線

4.4.2 孔隙率

孔隙率是反映GDL孔結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，通常使用壓汞儀進(jìn)行測(cè)量，非浸潤性的汞能進(jìn)入孔的大小與壓力符合Washburn 方程，通過給壓使汞完全浸潤碳紙，計(jì)算出碳紙中孔隙結(jié)構(gòu)的體積，從而計(jì)算出GDL孔隙率。也可通過以下公式(1)計(jì)算獲得：

式中，ε為材料的孔隙率，ρ為密度，ρ0為材料表觀密度。

4.4.3 面密度

面密度是反應(yīng)單位面積內(nèi)GDL質(zhì)量的性能指標(biāo)，克重可直觀反映GDL 的孔隙結(jié)構(gòu)，通常克重大說明GDL 中孔隙率較低。但現(xiàn)階段GDL 的應(yīng)用中并非克重最低的GDL性能最佳，通常電堆的性能由單電池的性能匹配結(jié)果來決定，根據(jù)單電池的設(shè)計(jì)要求，選用面密度最為合適的GDL。

4.4.4 親/疏水性

由于GDL 的氣體傳輸孔道與水管理孔道相互交織，難以明確界定，因此，對(duì)于氣體擴(kuò)散層的親/疏水性能難以準(zhǔn)確測(cè)量、表達(dá)，目前常用表征方法為以下3種。

第1種為通過接觸角的結(jié)果間接反映，接觸角越大疏水性越好，用于排水的MPL表層接觸角通常大于140°。但接觸角只能表征原料碳紙、疏水碳紙、MPL層。圖8所示為接觸角從小到大的試驗(yàn)記錄。該方法精密度較高，但只能表征材料的表層親疏水性，對(duì)于GDL傳輸孔道內(nèi)的親/疏水性能無法表征。

圖8 為表征親/疏水性能的接觸角測(cè)試[18]

第2種親/疏水性測(cè)試方法為浸潤法，將GDL放在水中浸泡至100%浸潤，取出后通過控制一定的懸掛時(shí)間除掉表面的過多水分，然后通過計(jì)算浸泡前后的質(zhì)量差表征材料的親/疏水性，質(zhì)量差大即為親水性好。該方法可測(cè)量GDL表面及內(nèi)部傳輸通道的親/疏水性，但精密度低，試驗(yàn)誤差大，不能作為通用試驗(yàn)方法，建議進(jìn)行試驗(yàn)室橫向比較。

第3種親/疏水性能測(cè)試方法為表面張力法，即將GDL樣品裁制成固定大小并測(cè)量其質(zhì)量，將其放置在表面張力儀的端頭緩緩向水面移動(dòng)，待樣品浸泡在水中后，測(cè)量待測(cè)GDL從水中脫離時(shí)的表面張力。表面張力越大，GDL親水性越好，疏水性越差；表面張力越小，GDL 親水性越差，疏水性越好。該測(cè)試方法較為準(zhǔn)確，可作為通用試驗(yàn)方法考量GDL親/疏水性。

4.4.5 瀝濾試驗(yàn)

一些學(xué)者認(rèn)為，GDL中的疏水孔道不能被水浸潤充分，親水孔道和疏水孔道并不能以一定規(guī)則有序排列，因此，用瀝濾試驗(yàn)來表征GDL吸水率。

將GDL裁剪成一定尺寸，計(jì)算其面積A和測(cè)量厚度d，稱量試樣重量W1后，浸潤到控溫恒溫的蒸餾水中，取出試樣后用濾紙去除表面水分并稱量重量W2，在60 ℃條件下恒溫干燥至恒重W3，GDL 的吸水率Wt計(jì)算公式按照公式(2)計(jì)算得到。

式中，W1為裁剪后氣體擴(kuò)散層樣件的質(zhì)量；W2為浸潤后去除表面水分的氣體擴(kuò)散層樣件的質(zhì)量；W3為浸潤后烘干恒重的氣體擴(kuò)散層樣件的質(zhì)量。

4.4.6 透氣率

在電堆工作中，反應(yīng)氣通過流道及GDL導(dǎo)向電極催化層，多余的反應(yīng)氣體攜帶氣態(tài)水以氣泡的形式排出，透氣率直觀反映出電堆的導(dǎo)氣性能，很多學(xué)者認(rèn)為，GDL 透氣性并非單獨(dú)評(píng)價(jià)，而是根據(jù)液態(tài)水的傳遞存在最優(yōu)趨勢(shì)[19]，氫氣和氧氣的傳遞與液態(tài)水的傳導(dǎo)貫穿于燃料電池工作中，透氣均勻性及水傳遞性能對(duì)電堆性能和催化劑性能存在較大影響；采用透氣率測(cè)試儀能準(zhǔn)確進(jìn)行測(cè)試[20]。

4.4.7 平面內(nèi)電阻及貫通面電阻

氣體擴(kuò)散層的電阻可以根據(jù)方向不同分為平面內(nèi)電阻及貫通面電阻。

（1）平面內(nèi)電阻

平面內(nèi)電阻多采用4 探針法進(jìn)行測(cè)試，如圖9 所示，將氣體擴(kuò)散層裁剪成正方向，間距為1mm 的4 探針垂直在氣體擴(kuò)散層上進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算公式如下：

式中，Rin-plane為材料的平面內(nèi)電阻，ρxy為電阻率，LP為電壓輸出端探針間距，w為樣品寬度，d為樣品厚度。由于氣體擴(kuò)散層材料屬于薄膜材料，測(cè)量表面均一性差，可以重復(fù)測(cè)量求取平均值或在材料表面加1～3 MPa壓力，提高測(cè)量一致性。

（2）貫通面電阻

氣體擴(kuò)散層的貫通面電阻通常采用接觸電阻的測(cè)試方法，測(cè)量原理見圖10所示。在2塊形狀一致的鍍金銅板間夾入氣體擴(kuò)散層樣件，在恒定壓力下在2塊鍍金銅板間加一直流電，測(cè)量通過樣品的電壓降，并根據(jù)公式4計(jì)算出樣品的貫通面電阻Rth rough-plane。

圖9 4探針法測(cè)試氣體擴(kuò)散層平面內(nèi)電阻

式中，Rth rough-plane為氣體擴(kuò)散層樣件的貫穿面電阻；Rcontact為端板與樣件間的接觸電阻與鍍金銅板本體電阻的總和；R為儀器的測(cè)試值，即為樣品的貫穿面電阻、端板與樣件間的接觸電阻和鍍金銅板本體電阻的總和；A為樣件的有效測(cè)量面積。

圖10 氣體擴(kuò)散層貫通電阻測(cè)試

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，一般氣體擴(kuò)散層材料的貫穿面電阻要比平面內(nèi)電阻大一個(gè)數(shù)量級(jí)[1]。

4.5 產(chǎn)品應(yīng)用

當(dāng)前，氣體擴(kuò)散層在電堆中的作用不可替代，現(xiàn)階段不論是金屬雙極板或石墨雙極板的電堆，都選用碳紙作為基材來制備氣體擴(kuò)散層，但由于國內(nèi)碳紙從原料、制備技術(shù)到產(chǎn)業(yè)落地均與國際先進(jìn)水平相差較遠(yuǎn)，現(xiàn)階段氣體擴(kuò)散層的應(yīng)用均以國外產(chǎn)品為主。隨著國家政策及產(chǎn)業(yè)化布局的推動(dòng)，國內(nèi)對(duì)于碳紙的開發(fā)及應(yīng)用愈發(fā)重視，新技術(shù)的興起指日可待。預(yù)計(jì)未來2年，國產(chǎn)化的碳紙將問世，是否能獲得大批量應(yīng)用，取決于電堆產(chǎn)品性能期望和成本之間的折衷。

5 結(jié)束語

伴隨燃料電池的技術(shù)快速發(fā)展，電堆產(chǎn)品的功率密度從2016年1.0 kW/L 左右提升至當(dāng)前的3.0 kW/L以上，預(yù)計(jì)到2030年可望達(dá)到6.0 kW/L[21]。這是電堆材料體系的革命，其中由MPL 和GDB 構(gòu)成的GDL，作為電堆的核心材料伴隨膜電極的發(fā)展而同步提升性能，并拓展應(yīng)用。

（1）氣體擴(kuò)散層的碳紙供應(yīng)受國外制約，當(dāng)前國產(chǎn)碳纖維制造技術(shù)不足以滿足現(xiàn)階段質(zhì)子交換膜燃料電池氣體擴(kuò)散層的需要，因此，應(yīng)大力發(fā)展碳纖維、碳紙制造技術(shù)，加強(qiáng)自主國產(chǎn)化推進(jìn)步伐。

（2）基于氣體擴(kuò)散層內(nèi)部復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有研究手段難以有效的探查其內(nèi)部的傳質(zhì)和傳熱機(jī)理，氣體擴(kuò)散層內(nèi)部的多相流傳輸狀態(tài)也無法進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。因此，在制備工藝角度，現(xiàn)有工藝水平只能進(jìn)行氣體擴(kuò)散層的組分改善，制備性質(zhì)差異化的擴(kuò)散層，無法準(zhǔn)確改變氣體擴(kuò)散層內(nèi)部傳質(zhì)結(jié)構(gòu)和機(jī)理，從而解決氣體擴(kuò)散層的設(shè)計(jì)最優(yōu)問題。因此，加大基礎(chǔ)研究仍是當(dāng)務(wù)之急。

（3）為了獲得高性能氣體擴(kuò)散層，隨著對(duì)氣體擴(kuò)散層的優(yōu)化與循序改進(jìn)，并對(duì)基底層進(jìn)行改性和摻雜，也結(jié)合模擬仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，制備多層次和梯度化的氣體擴(kuò)散層，因此，未來幾年，不排除全新氣體擴(kuò)散層技術(shù)和產(chǎn)品的突破。