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(duì)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(lèi)產(chǎn)品。

目前從事擴(kuò)散層生產(chǎn)的廠(chǎng)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(chǎng)家主營(yíng)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?cái)U(kuò)散層供應(yīng)商。

氣體擴(kuò)散層制作過(guò)程

雖然各個(gè)廠(chǎng)家背景和主營(yíng)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(lèi)似的，總的流程如圖所示（源引SGL對(duì)外產(chǎn)品手冊(cè)）概括為五個(gè)主要階段，其中的每個(gè)階段對(duì)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(guò)紡絲和穩(wěn)定之后通過(guò)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 2. 造紙/織布工藝

將碳纖維進(jìn)行分段剪切并在專(zhuān)門(mén)的溶液中進(jìn)行分散，接著用類(lèi)似造紙的工藝將碳紙成型，成型后的碳紙?jiān)俳?jīng)過(guò)樹(shù)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(xiàng)特性。

Step 3. 石墨化

成型的GDL被加熱到2200-3000℃完成石墨化，這個(gè)階段非常重要，通過(guò)石墨化以后擴(kuò)散層會(huì)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(duì)燃料電池工作過(guò)程中能夠順利排出生成的水，同時(shí)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(guò)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(duì)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(jì)過(guò)程中氣體擴(kuò)散層的選擇對(duì)燃料電池性能影響很大，通常會(huì)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(gè)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(guò)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(huì)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(huì)影響到燃料電池工作時(shí)的水熱管理。在整堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮擴(kuò)散層的回彈性能、擴(kuò)散層與密封線(xiàn)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(diǎn)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(guò)程中提高石墨化溫度并延長(zhǎng)時(shí)間，這對(duì)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(duì)氣體擴(kuò)散層失效的研究并不像對(duì)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(duì)氣體滲透率進(jìn)行測(cè)評(píng)的方法包括（DIN EN ISO 9237)和 Gurley (ISO 5636-5)。

4. 親疏水特性

隨著長(zhǎng)時(shí)間的使用，氣體擴(kuò)散層表面親水性越來(lái)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(guò)對(duì)氣體擴(kuò)散層進(jìn)行的加速老化試驗(yàn)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？