燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。
由于燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)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(shí)沒有機(jī)械傳動(dòng)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(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是較有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。
1：燃料電池GDL功能
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2：燃料電池GDL要求
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均勻的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，透氣性能好
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結(jié)構(gòu)緊密且表面平整，減小接觸電阻，提高導(dǎo)電性能
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具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)膭傂耘c柔性，利于電極的制作，提供長期操作條
件下電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性
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適當(dāng)?shù)挠H水/憎水平衡，防止過多的水分阻塞孔隙而導(dǎo)致氣體透過性能下降
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具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。
3：燃料電池GDL特點(diǎn)
基于上述對(duì)氣體擴(kuò)散層的要求，經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，目前成熟應(yīng)用于燃料電池上的氣體擴(kuò)散層用材料為碳材料
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碳材料的優(yōu)點(diǎn): 兼顧較高的導(dǎo)電性和較強(qiáng)的抗電腐蝕性能，且成本較低，這是其他材料所不具備的優(yōu)點(diǎn)。
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碳材料的缺點(diǎn): 碳材料性質(zhì)較脆，不利于成型加工，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的控制也比較難。
因此，研究利用碳材料制備出性能優(yōu)良的氣體擴(kuò)散層成了研究的重點(diǎn)。
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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(kuò)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(zhì)量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙均勻且強(qiáng)度高，厚度可根據(jù)使用要求調(diào)整，適合耐久性燃料電池使用。
在制備碳紙時(shí)，除了準(zhǔn)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(xù)式碳化爐和連續(xù)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(chǎn)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(wěn)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(diǎn)是沒有經(jīng)線和緯線，而且質(zhì)量輕,有利于定型，彌補(bǔ)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(jù)需要從原料階段進(jìn)行控制。
但其工藝也較為復(fù)雜，強(qiáng)度和耐久性較差,容易從直角方向上開裂，很難達(dá)到燃料電池對(duì)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(jié)劑分散均勻后通過熱壓成型工藝制成的平整的擴(kuò)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(jié)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。
在GDL中主要進(jìn)行著反應(yīng)氣體的傳遞、反應(yīng)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移以及電子的傳輸。因此，考察GDL的性質(zhì)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(zhì)，主要包括GDL的流體傳輸特性、導(dǎo)電性、孔結(jié)構(gòu)以及親疏水特性等。
GDL中的流體主要是反應(yīng)氣體、水蒸汽和液態(tài)水。氣體在擴(kuò)散層中的主要傳遞方式為擴(kuò)散，還包括部分的對(duì)流傳質(zhì)。采用液體滲透率可以用來表征液體的流動(dòng)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(guān)聯(lián)流率與壓力降之間的關(guān)系就可以表征液體在GDL的傳遞能力。
孔隙率、孔分布和孔體積是擴(kuò)散層孔結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。常用的孔結(jié)構(gòu)測量儀器有壓汞儀和毛細(xì)管流動(dòng)孔隙儀。
前者以汞作潤濕液，應(yīng)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(zhì)，在毛細(xì)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(yùn)行時(shí)擴(kuò)散層內(nèi)的真實(shí)物質(zhì)傳輸通道，因?yàn)闅怏w擴(kuò)散層材料里的非連通孔是對(duì)物質(zhì)傳輸沒有意義的，而在采用壓汞法或毛細(xì)管流動(dòng)孔隙儀測量時(shí)斷孔、死孔都是包含在內(nèi)的。
GDL的液體潤濕性即其親疏水性質(zhì)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(zhì)、 提高極限電流密度。表征GDL的親/疏水性質(zhì)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(zhì)。
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(shí)驗(yàn)誤差較大。接觸角的大小只反應(yīng)了氣體擴(kuò)散層的表面性質(zhì)，由于擴(kuò)散層表面的憎水性都比較強(qiáng)，但其內(nèi)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(kuò)散層的親疏水性質(zhì)是 不準(zhǔn)確的。
擴(kuò)散層的導(dǎo)電性,根據(jù)測量方向的不同,一般有兩種測量方式。
對(duì)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(duì)于in-plane方向的電阻多采用四點(diǎn)探針法。
一般through-plane方向的電阻要比in-plane方向的電阻大一個(gè)數(shù)量級(jí)，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。
氣體擴(kuò)散層是氫燃料電池電堆的關(guān)鍵材料，但目前國內(nèi)燃料電池生產(chǎn)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(kuò)散層產(chǎn)品，氣體擴(kuò)散層國產(chǎn)化亟需破局。
氣體擴(kuò)散層的產(chǎn)業(yè)化涉及制漿造紙、涂布熱壓、碳化石墨化等多行業(yè)領(lǐng)域交叉，同時(shí)對(duì)工程技術(shù)平臺(tái)和公用工程平臺(tái)的依賴也比較大，這限制了很多企業(yè)入局。
盡管如此，通用氫能、仁豐特材等企業(yè)正走在加速追趕的路上，已為多家頭部企業(yè)小量供貨，逐漸打開市場應(yīng)用突破口。
艾邦為大家整理了氫燃料電池氣體擴(kuò)散層主要廠商，包括氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵特性、氣體擴(kuò)散層（GDL+MPL）制作工藝及氣體擴(kuò)散層主要生產(chǎn)廠商的整理。
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