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)。根據(jù)氣體擴(kuò)散層制作工藝中對碳纖維采用的粘接、紡織、成紙及熱壓等不同工藝，成品可以分為碳紙、碳布、碳?xì)值榷喾N類產(chǎn)品。

目前從事擴(kuò)散層生產(chǎn)的廠家有很多，具有代表性的包括東麗（Toray）、科德寶（Freudenburg）、西格里特（SGL）以及AvCarb等，這些廠家主營業(yè)務(wù)覆蓋了材料、紡織、石墨等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域都與擴(kuò)散層的制作工藝有著密切的聯(lián)系，其中SGL是全球最大的碳石墨制造商也是現(xiàn)代NEXO燃料電池擴(kuò)散層供應(yīng)商。

氣體擴(kuò)散層制作過程

雖然各個廠家背景和主營業(yè)務(wù)不盡相同，但在氣體擴(kuò)散層生產(chǎn)的工藝流程上是類似的，總的流程如圖所示（源引SGL對外產(chǎn)品手冊）概括為五個主要階段，其中的每個階段對擴(kuò)散層最終的產(chǎn)品性能參數(shù)有著不同的影響。

Step 1. 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、氮氣和氧氣等氣體，形成碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在90%以上的碳纖維制品。

Step 2. 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，成型后的碳紙再經(jīng)過樹脂浸漬和硫化，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特性。

Step 3. 石墨化

成型的GDL被加熱到2200-3000℃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 4. 疏水處理

這一階段主要進(jìn)行PTFE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 5. 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。

氣體擴(kuò)散層特性

在燃料電池電堆設(shè)計過程中氣體擴(kuò)散層的選擇對燃料電池性能影響很大，通常會在厚度、比重、壓縮回彈、厚度、孔隙率、PTFE含量、電導(dǎo)率特性、熱導(dǎo)率特性和氣體擴(kuò)散特性這幾個方面做綜合的權(quán)衡與考量。

1. 機(jī)械性能

氣體擴(kuò)散層在電堆裝配過程中，隨著壓緊力的增加，擴(kuò)散層的應(yīng)變、孔隙率、電導(dǎo)率以及氣體擴(kuò)散特性等指標(biāo)均會產(chǎn)生變化，而且雙極板脊下和槽下的擴(kuò)散層特性也有很大區(qū)別，這些都會影響到燃料電池工作時的水熱管理。在整堆結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須充分考慮擴(kuò)散層的回彈性能、擴(kuò)散層與密封線在壓縮量和壓縮力之間的匹配以及流道跨度和深度匹配等等。

2. 導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能

氣體擴(kuò)散層制造工藝造成的碳纖維分布特點決定了擴(kuò)散層在平面內(nèi)的導(dǎo)電率比垂直平面的導(dǎo)電率要高數(shù)倍，提升擴(kuò)散層本身的導(dǎo)電導(dǎo)熱特性可以在擴(kuò)散層制備過程中提高石墨化溫度并延長時間，這對減緩擴(kuò)散層衰減也有積極作用。

3. 氣體滲透性能

氣體擴(kuò)散率在垂直于氣體擴(kuò)散層方向上的數(shù)值是平面內(nèi)氣體擴(kuò)散率的幾倍，目前對氣體擴(kuò)散層失效的研究并不像對其它部件的失效研究那么深入，氣體的擴(kuò)散和液態(tài)水的排出總是相互影響，因此擴(kuò)散層失效形式與燃料電池性能衰減之間的關(guān)系還需要大量的研究工作。目前主要用于對氣體滲透率進(jìn)行測評的方法包括（DIN EN ISO 9237)和 Gurley (ISO 5636-5)。

4. 親疏水特性

隨著長時間的使用，氣體擴(kuò)散層表面親水性越來越強(qiáng)，燃料電池工作中反應(yīng)出的濃差極化明顯升高，這與PTFE涂料脫落，親水雜質(zhì)累積，孔隙率分布改變都有一定的聯(lián)系。通過對氣體擴(kuò)散層進(jìn)行的加速老化試驗研究，表明：老化后接觸角明顯變小，MPL層的質(zhì)量也明顯減小。

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原文始發(fā)于：你真的了解氣體擴(kuò)散層嗎？