科普 | 什么是气体扩散层？

目前在制氢电解槽领域，碱式制氢是主流，但是在氢燃料电池生产领域，质子交换膜燃料电池（PEMFC）是主流。

质子交换膜燃料电池的主要零部件是氢燃料电池技术研发和生产的重心，这与其产品特点有关，操作温度低（约80℃）、功率密度高、启动快、对负载变化响应快，非常适合作为氢燃料电池的应用需求。市场空间带动了这一领域的技术研发，并对其上游关键零部件生产也提出要求，其中气体扩散层是重要零部件之一。

什么是气体扩散层

气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的作用，简称GDL。同催化剂一样，也分阴极扩散层和阳极扩散层。

扩散层和催化剂在膜电极中的位置

气体扩散层是电堆中成本占比比较高的组成部分，仅次于催化剂。催化剂成本占比高更多是因为贵金属的使用以及国产化还未普及，而气体扩散层目前成本比较高的最主要原因是国外的技术垄断还未完全破除。

来源：清枫资本

气体扩散层的功能

它在氢燃料电池中发挥的作用可以从以下电化学反应过程中得到完整理解：燃料气体经过阳极扩散层到达催化剂层，在催化剂的作用下发生电极反应，即：该电极反应产生的电子通过催化剂层的传导流经外电路到达阴极，同时氢离子在质子交换膜的作用下到达阴极。

氧气通过阴极扩散层后与氢离子和电子在催化剂作用下发生电极反应，生成水，而且这种生成的水必须及时排出，以免发生“水淹电极”的现象。由此可知气体扩散层在电极中不仅起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能。与气体扩散层名称相近的名字有气体扩散电极，它和气体扩散层的区别就在于是否具备催化剂。简而言之，气体扩散电极是直接把催化层做到气体扩散层上，也就是在微孔层外面还有一层催化层。

气体扩散层的结构

气体扩散层通常由基底层（GDB）覆有一层较薄的微孔碳层的（MPL）组成。基底层直接与气流通道接触，用作气液体的扩散与导电。微孔层含有碳粉和疏水剂，主要管理液态水和水蒸气的流动。

气体扩散层的结构基底层的碳纤维是气体扩散层的核心，它决定了气体扩散层的大部分性能。碳纤维的平均孔径约为10.0μm，孔隙率为0.7~0.8，在应用前需进行疏水处理，确保气体扩散层具有适当的水传输特性，通常是将其浸入到疏水剂（如PTFE）的水分散溶液中，当内部结构被完全浸透后转移至高温环境中进行干燥处理，从而形成耐用的疏水涂层。微孔层通常由碳黑、憎水剂构成，厚度为10~100μm，用于改善基底孔隙结构、降低基底与催化层之间的接触电阻、引导反应气体快速通过扩散层并均匀分布到催化剂层表面、排走反应生成的水以防止“水淹”发生。

气体扩散层微观结构

气体扩散层的性能表现

在功能角度看，气体扩散层均匀地将反应气体从流场引导至催化剂层，确保组件的机械完整性，并以一定的速度排除阴极上的反应产物（水），防止阴极催化剂层发生“水淹”，也避免因失水过多导致阴极组件干燥而降低各离子的传导率。因此，发生在气体扩散层上的过程有：热转移过程、气态输运过程、两相流过程、电子输运过程、表面液滴动力学过程等。气体扩散层的功能主要看以下指标：▪孔结构：均匀的多孔质结构透气性能好；孔隙率、孔分布和孔体积是衡量扩散层孔结构的重要参数。▪亲/疏水性质：适当的亲水/憎水平衡，防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降；▪导电性：结构紧密且表面平整，减小接触电阻，电子传导能力强；▪机械强度适宜：适当的刚性与柔性，利于电极的制作，提供长期操作条件下电极结构的稳定性；▪稳定性强：具有化学稳定性和热稳定性；▪制造成本低：性能/价格比高。

气体扩散层的厚度、表面预处理会影响传热和传质阻力，是整个氢燃料电池系统浓差极化、欧姆极化的主要源头之一；通常以减小气体扩散层厚度的方式来降低浓差极化、欧姆极化，但也可能导致气体扩散层机械强度不足。因此，研制亲疏水性合理、表面平整、孔隙率均匀且高强度的气体扩散层材料，是氢燃料电池关键技术。对气体扩散层的研究，除了材料制备，还有关于压缩、冻融、气流、水溶造成的机械降解以及燃料电池启动、关闭及“氢气饥饿”时的碳腐蚀造成的化学降解等的性能退化研究。

气体扩散层的分类

基底层是气体扩散层的核心，围绕这一核心，人们也进行过多重探索，选取了一些材料进行研究和应用。材料主要包括四类：碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布及炭黑纸。有些研究小组也在使用金属材料，如扁平的金属海绵——网状金属镍。

▪碳纤维纸：碳纤维纸是一种广泛应用于PEMFC电极中的气体扩散层材料，它不仅具有均匀的多孔质薄层结构，而且由于主要原料使用石墨化碳纤维，使得它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。

科德宝的碳纤维纸

▪碳纤维编织布：由于碳纤维纸脆性大，缺乏柔性，在制备电极的过程中易被损坏，因此在PEMFC电极中使用较多的气体扩散层基底材料还有碳纤维编织布。它没有碳纤维纸那样的机械脆性，具有弯曲性能，依赖于纤维结构和编织工艺；还具有一定的抗压性能，有利于通过加压的办法来改善它与电解质或催化剂层的电接触。编织用的碳纤维纱线是长的碳纤维，经捆扎而成，但最好是通过纺纱工艺对纱线加捻后编织成布，不过这种碳布也可以是由碳纤维的前驱体编织成布后经过炭化制成。

碳能科技生产的碳纤维编织布

▪无纺布：为了克服碳纤维纸缺乏柔性而碳纤维编织布缺乏尺寸稳定性的弱点，PEMFC电极用气体扩散层基底还可选用碳纤维无纺布。它同时具备一定的机械强度，且有高的柔性和尺寸稳定性等优点，从而利于电极的制作。适合的材料最好包括碳纤维、玻璃纤维或者含有机聚合物的纤维，这些有机聚合物可以是聚丙烯、聚酯（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、聚亚苯基硫或聚醚酮等。

▪碳黑纸：作为气体扩散层基底使用的炭黑纸，是由炭粉和聚合物粘结剂均匀分散后，经过热压成型而形成表面平整的片材，其中聚合物与炭粉的质量比在20：80和45：55之间。炭粉可选用活性炭、炭黑、乙炔黑或其混合物，炭粉的比表面积在50m2/g-2000m2/g之间；聚合物可选择氟树脂，如PTFE、聚偏1、1-二氟乙烯等，这种氟树脂同时还可作为炭黑纸的憎水处理剂，从而简化了后面的憎水处理工艺，降低了成本。在长期的实验和应用过程中发现，由于碳纤维纸质量轻、表面平整、耐腐蚀、孔隙率均匀且强度高，厚度可根据使用要求调整，更适合耐久性燃料电池使用。碳纸也因其制造工艺成熟、性能稳定，成为气体扩散层材料的主流选择。

碳纤维纸技术核心

碳纸是气体扩散层核心原材料，是由经短切的碳纤维通过湿法或干法工艺制备而成。碳纸的基材来源于碳纤维，把碳纤维做成碳纸才是核心的难点所在。除了碳纤维基材，掌握材料的结构和水热管理也相当关键。碳纸在我国仍处于国产化初期，碳纸制备的主要难点在于，如何在保证透气率、导电导热和提供支撑性的功能要求下，将厚度控制在下游产品要求之内；此外碳纸生产过程中的树脂添加剂配方也是各企业核心机密。

碳纸的制备流程图 来源：杭州晨昕

碳纸制备分为两大技术路线，分别为干法和湿法。湿法工艺是目前的主流技术，是将碳纤维与水、分散剂混合后经抄纸工艺得到原纸，再经浸渍、树脂化、碳化等流程得到碳纸。干法工艺是以空气为介质，采用气流成网工艺加工成原纸，并经涂胶、干燥和碳化等后道工艺加工制备而成，所制得的碳纸具有导电性能好、强度较高、透气性好等优点。目前世界范围内鲜有企业掌握干法量产制备碳纸原纸的工艺。

气体扩散层企业

气体扩散层是氢燃料电池电堆的关键材料，在很长的时间里，欧美日企业几乎垄断了这一领域，其中最著名的事美国Avcarb、日本东丽、日本三菱化学、德国科德宝、德国西格里等。日本东丽早在1971年开始进行碳纤维产品生产，是全球碳纤维产品的最大供应商，其他公司主要以该公司的碳产品为基础材料。

气体扩散层的产业化涉及制浆造纸、涂布热压、碳化石墨化等多行业领域交叉，同时对工程技术平台和公用工程平台的依赖也比较大，这限制了很多企业入局。另外，为促进气体扩散层材料设计与开发，研究者利用中子照相技术、X-ray电子计算机断层描绘技术、光学可视化技术、荧光显微术等手段来可视化材料结构和表面水的流动状态，并利用随机模型法、两相流模型数字化重构气体扩散层宏观形貌（孔隙）结构；为研究气体扩散层气–液两相流行为，较多运用双流体模型、多相混合模型、格点Boltzmann方法、孔隙网络模型、流体体积（VOF）法等。尽管面临各种技术难关，仍有一些企业正在这一领域紧追猛赶。尤其是碳纸的应用场景在近些年已经大大扩展，吸引了大量的企业进入此领域，并取得了相当大的进步。

这些国内企业包括：  

碳能科技：

碳能科技成立于2006年9月，志在发展一个“洁净的能源技术(Clean EnergyTechnology)”，以碳素材料及高温技术，应用于能源科技，特别是无污染之燃料电池、大型储能系统（VRB，全钒氧化还原液流电池）及高阶电子产品热管理组件。碳能科技位于台中，主要在研发与生产销售气体扩散层(GDL)，为市面所称之碳纤维纸与碳纤维布。2017年6月，台湾碳能科技推出新炭纸产品GDS090与GDL120。 

 仁丰特材：

山东仁丰特种材料股份有限公司成立于2006年，拥有丰富的湿法抄造和特种材料生产经验，熟悉涂布及热压工艺，已申报氢燃料用炭纸相关发明专利8项，形成了自主知识产权。仁丰特材150万m2/年气体扩散层GDL生产线已列入淄博市“十四五”氢能产业重大示范及山东省能源领域重点技术攻关项目，现一期50万m2产线已建成投产。  

金博股份：

2021年8月金博氢能投资约3,000万元，用于氢燃料电池相关材料等的研发、生产。2022年6月9日，金博股份发布公告，与神力科技就氢燃料电池领域应用的碳纸、柔性石墨极板达成战略合作。金博股份正在建设每年30万平方米的产能，片状碳纸将于2022年投产、2022年底形成销售，卷状碳纸将于2023年上半年投产。  

上海嘉资：上海嘉资新材料有限公司成立于2007年，长期专注于碳纤维复合材料的研发与设计，目前公司已掌握了独家干法成纸技术，并具备了从碳纸原纸到气体扩散层的全流程批量生产能力。公司于2017年便成功批量制备出了第一代碳纸产品，2019年量产的第五代碳纸产品完全满足了氢燃料电池对核心材料气体扩散层应用方面的全部技术要求。同时，公司具备电解水制氢用碳纸产品和液流电池用碳毡产品生产能力和产线。  

中复神鹰：

中复神鹰碳纤维股份有限公司隶属于中国建材，是集碳纤维及其复合材料研发、生产、销售为一体的国家高新技术企业。中复神鹰系统掌握了T700级、T800级、M30级、M35级千吨级技术以及T1000级、M40级百吨级技术，在国内率先实现了干喷湿纺的关键技术突破和核心装备自主化，拥有成熟的万吨级碳纤维生产制造技术。目前，公司产品基本实现了高强型、高强中模型、高强高模型各类型碳纤维的品种覆盖，并被广泛应用于航空航天、压力容器、碳碳复材、风电叶片、交通建设、体育休闲等领域，极大地促进了国内碳纤维复合材料产业的发展。 

通用氢能：

深圳市通用氢能科技有限公司是华电重工子公司，致力于氢能关键材料气体扩散层、质子交换膜及催化剂的研发与批量化制造。公司对外公告在深圳已建成年产10万㎡气体扩散层产线，并掌握卷对卷生产工艺。  

碳际科技：

碳际科技成立于2021年，主要聚焦于燃料电池和氢燃料电池用碳纸及气体扩散层技术和产品。碳际科技目前已推出多个型号气体扩散层产品，并正筹划年产30万平气体扩散层产线建设。

现阶段国产气体扩散层跟国外的先进水平相比存在一定的差距。从气体扩散层的技术指标来看，国外先进水平电流密度达到2.5-3.0A/cm³，国内企业在近年进步很快，已经能达到进口产品的中等水平。

资料来源：燃料电池小课堂、清枫资本等