質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層構(gòu)成了質(zhì)子膜燃料電池的核心；氣體擴(kuò)散層（此處討論為GDL+MPL）在結(jié)構(gòu)上直接連接著燃料電池極板和催化層，建立了從氣體流道的毫米尺度到催化劑的納米尺度之間的橋梁，在燃料電池工作中不僅起著傳輸反應(yīng)介質(zhì)，排出電化學(xué)產(chǎn)物的作用，而且不斷進(jìn)行著熱和電的傳導(dǎo)。
氣體擴(kuò)散層(GDL)是由多孔、且非編織特性的碳基材組成，基材經(jīng)過 PTFE 疏水處理后，涂布單層或多層的微孔層(MPL)，形成具有不同孔隙的多孔結(jié)構(gòu)。
下圖為氣體擴(kuò)散層三維結(jié)構(gòu)示意圖，其中具大孔結(jié)構(gòu)的碳紙基材標(biāo)示為綠色，PTFE 疏水材為黃色，最上層的微孔結(jié)構(gòu)標(biāo)示為藍(lán)色 。一般而言，燃料電池氣體擴(kuò)散層材料具有以下關(guān)鍵特色，這些特性之間除了有基本功能考慮，部分存在競爭關(guān)系，在材料設(shè)計(jì)與選用時，皆需納入做通盤考慮。
氣體擴(kuò)散層之三維結(jié)構(gòu)
反應(yīng)氣體擴(kuò)散: 氣體擴(kuò)散層要能傳遞反應(yīng)物(氫氣、氧氣)，確保 足夠的反應(yīng)物可快速且均勻的擴(kuò)散至催化劑層，以進(jìn)行電化學(xué)反 應(yīng)，因此，氣體擴(kuò)散層的孔徑必須夠大且這些孔隙需具備足夠的疏 水特性以避免燃料電池的產(chǎn)物水阻塞孔道。
產(chǎn)物擴(kuò)散與傳輸: 氣體擴(kuò)散層需有效的將液態(tài)水自催化劑層移至 流道板，以避免讓液態(tài)水阻塞了反應(yīng)物的擴(kuò)散通道。然而，排水的 特性需要被優(yōu)化設(shè)計(jì)，如果排水能力太高，則將導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)膜 太干而產(chǎn)生脫水，進(jìn)一步將使得質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率下降。
導(dǎo)電特性: 氣體擴(kuò)散層材料導(dǎo)電特性越高越好，這有助于減少電子傳導(dǎo)過程的奧姆損失，幫助電子在催 化層和集電板之間傳遞。然而，調(diào)整氣體擴(kuò)散層的其他物理特性時，都會影響到材料的導(dǎo)電特性，例如 增加氣體擴(kuò)散層的孔隙率以及 PTFE 含量時，都將使得導(dǎo)電特性下降。一般材料的導(dǎo)電特性還可以藉由碳 材料的熱處理溫度進(jìn)行改善。
導(dǎo)熱特性: 膜電極組(MEA)反應(yīng)產(chǎn)生的熱/冷，需由氣體擴(kuò)散層傳導(dǎo)至雙極板上，同時也須保持膜電極組 均勻的溫度分布。熱量的局部累積將會對電池電極反應(yīng)、質(zhì)子傳導(dǎo)膜的奧姆損失以及水的揮發(fā)與冷凝產(chǎn) 生直接的影響。
機(jī)械支撐性: 在膜電極組中，氣體擴(kuò)散層也扮演支撐膜電極組的角色，用來保護(hù)催化劑和質(zhì)子傳導(dǎo)膜， 避免氣體流道的壓力差而損傷膜電極組，也避免質(zhì)子傳導(dǎo)膜在電池加壓組裝時陷入流道板而造成損壞。
下面介紹七合一的氣體擴(kuò)散層（GDL+MPL）制作工藝
Step 1.切碎碳纖維
切碎碳纖維的工藝流程示意圖
Step 2.?有機(jī)纖維碳化
有機(jī)聚合物經(jīng)過紡絲和穩(wěn)定之后通過高熱解溫形成碳纖維，熱解在溫度高達(dá)1100-1350℃的惰性氣體中進(jìn)行，材料釋放出大量的氫氣、氮?dú)夂脱鯕獾葰怏w，形成碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在90%以上的碳纖維制品。
Step 3.?造紙/織布工藝
將碳纖維進(jìn)行分段剪切并在專門的溶液中進(jìn)行分散，接著用類似造紙的工藝將碳紙成型，成型后的碳紙?jiān)俳?jīng)過樹脂（熱固性樹脂如酚醛樹脂等）浸漬和硫化，這一階段的工藝基本決定了碳紙的厚度、孔隙率以及孔隙分布的各項(xiàng)特性。
Step 4.?石墨化
成型的GDL被加熱到2200-3000℃（也有說是在1400-2000℃）完成石墨化，這個階段非常重要，通過石墨化以后擴(kuò)散層會在導(dǎo)電、導(dǎo)熱以及機(jī)械強(qiáng)度方面得到全面提升，而且擴(kuò)散層的化學(xué)穩(wěn)定性以及表面物理穩(wěn)定性更強(qiáng)，因此石墨化的程度是一非常關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)。
Step 5.?疏水處理
這一階段主要進(jìn)行PTFE（PTFE類、氟乙烯、丙烯FEP）溶液的浸漬、烘干以及燒結(jié)。燃料電池優(yōu)化的核心就是水熱管理，擴(kuò)散層疏水處理對燃料電池工作過程中能夠順利排出生成的水，同時又不阻礙反應(yīng)氣體擴(kuò)散起著很重要的作用，GDL的疏水性要弱于MPL層，形成水力梯度以防止水淹。
Step 6. MPL層涂布
最后通過噴涂、絲印或沉積的方法將MPL層乳液涂布在GDL層上，最終燒結(jié)形成氣體擴(kuò)散層，乳液的原料的配比對MPL層孔隙率以及疏水性能有著重要影響。
Step 7完整的GDL與前制程加工好的MEA貼合
來源：艾邦氫科技網(wǎng)綜合整理
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