燃料电池气体扩散层设计与选型

燃料电池气体扩散层设计与选型

作为膜电极的重要组成部件，气体扩散层的设计与选型需根据电堆水管理特性、极板尺寸、单体目标厚度等因素因地制宜。

气体扩散层(GDL)是一类疏水多孔介质材料，位置介于流场板和催化层，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提供结构支撑。GDL通常由大孔基底层(Macroporous substrate:MPS)和微孔层(Microporous layer:MPL)组成。其中，基底层通常由碳纤维各向异性堆叠组成，直接与流场板接触；微孔层由碳基粉末和憎水剂混合而成，直接与催化层接触。

气体扩散层关键特性

气体扩散层通常由多孔、非编织性和大孔结构的碳基材组成，基材经PTFE 疏水处理后，并涂覆有单层或多层微孔层(MPL)。一般，质子交换膜燃料电池用气体扩散层材料应具有反应气扩散、产物水扩散传输、导电、导热和机械支撑等关键特性。

反应气扩散气体扩散层的首要任务是传送反应气氢气和氧气，确保足够的反应物质快速和均匀扩散至催化层。因此，气体扩散层的孔径在一定范围内应足够大，且孔隙需具备足够的疏水特性以避免燃料电池的产物水阻塞孔道。产物水扩散与

传输

一方面，气体扩散层需有效将液态水自催化层移至流场板(或极板)，以避免液态水阻塞反应物扩散通道引起传质极化增加。另一方面，排水特性需进行最佳设计。排水能力过强，将导致质子膜过度干燥产生“脱水”现象，质子传导率下降。

导电

气体扩散层材料导电能力高有助于降低电子传导过程中的欧姆损失。但调整气体扩散层的其他物理特性会影响到材料的导电特性，如：增加气体扩散层的孔隙率及PTFE含量时，通常导电率将下降。一般，碳基材料的导电特性可依据碳材料的热处理温度进行改善。导热

典型PEMFC单体温度分布

膜电极反应产生的热量需自气体扩散层传导至极板，同时需保持膜电极温度分布均匀。热量的局部累积将对电池的电极反应、质子膜欧姆损失、水挥发与冷凝产生直接影响。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。此外，气体扩散层的存在避免了流场板高强度面压对CCM的损伤、电池装配过程中CCM浸入流场板引起的干扰传质和强度破坏等问题。

微孔层微孔层是一层由碳粉和PTFE组成的微孔隙结构。微孔层厚度和孔隙度对燃料电池性能有着重要影响。微孔层厚度直接影响产物水的传输速率、气体扩散层导电特性(接触电阻)以及机械强度(如微孔层表面粗糙度)。以下提供了一些基本的比较实验，方便使用者对微孔层设计和选型有基本的认知。产物水传输速率

在微孔层载量比较实验中，保持碳颗粒大小和PTFE含量相同，在相同碳纸基材上涂覆载量分别为10、30和60g/m2微孔层。实验使用50cm2单电池夹具(阳极为双蛇形流道，阴极为三蛇形流道)，电池温度70℃，反应气背压12psig，反应气化学计量比为2，分别测试干工况(＜30%RH)和湿工况(＞70%RH)电池性能。

实验数据可以看到，增加微孔层载量对电池干工况下性能提升有益。由于较厚微孔层可避免质子膜脱水干燥，且接触电阻较小，因此欧姆损失较小。但当微孔层厚度较厚，可以看到在大电密放电区域(1.2A/cm2)发现极化曲线开始出现了明显的传质限制现象。

不同载量微孔层干工况下性能对比

相反，湿工况下薄微孔层具有最优性能表现。因此，在设计和选型气体扩散层时，水管理的平衡是个重要课题，既需足够的水分保持质子膜湿润，也要避

免水分积聚阻碍气体传输。

不同载量微孔层湿工况下性能对比

接触电阻

实验中采用传输线法(Transmission Line Method)进行气体扩散层接触电阻研究，测试中将铜板放置在气体扩散层不同位置上测量其电阻。选用不同载量微孔层8、15、30、50g/m2进行测试，发现当微孔层载量为30g/m2，接触电阻已出现大幅下降。表示当微孔层载量提升时，气体扩散层表面较平坦。一般，当微孔层载量≤15g/m2时，接触电阻较大，欧姆阻抗较高。

MPL载量和接触电阻关系表面粗糙度改变微孔层载量从8至30g/m2，可发现微孔层表面粗糙度随之下降，这个结果和接触电阻相似。下图展示了不同载量微孔层对碳纤维基材的覆盖状态。在新一代车用电堆设计开发中，使用薄型化的气体扩散层是主流趋势，微孔层对碳纤维基材的覆盖状态也成为材料开发者关注的议题。如果微孔层载量减少至不足以完全覆盖基材纤维，则有可能发生纤维刺破质子膜现象。

MPL载量和表面粗糙度关系

AvCarb GDS MB-30

AvCarb GDS MB-30产品是专为车载电堆开发的气体扩散层材料。通常，燃料电池乘用车载电堆具备高功率(>80kW)，大电密(>2.5A/cm2)等特性，因此MB-30产品从优化水热管理能力出发对结构进行专门设计和调整，精准控制微孔层的孔隙率与孔径大小，使其适用于大功率FCV车载应用。这款产品自2010年发布后，已成功应用于各类车型超过十年以上时间，产品寿命(耐久性)经过了实际长时间验证。

MB-30特别适用于阴极高加湿工况(>70%RH)，并搭配使用车载电堆的窄型流道板(单流道槽宽<1.2mm)。MB-30也可被应用在阳极，但因排水功能较强，在某些工况条件下可能造成质子传导膜过度脱水现象。若发现此状况发生，建议可以使用GDS3260作为阳极气体扩散层。经实际测试，使用阳极GDS3260/阴极MB-30组合在2.5A/cm2电密下可输出超过0.5V电池性能。

极化曲线(阳AvCarb GDS3260/阴AvCarb MB-30)

在部分主机厂测试中看到，在使用MB-30气体扩散层条件下，电堆可在超过6A/cm2极限电流下操作，实际运行中也通过了超过35,000小时的连续运行验证，展现其高耐久性。