质子交换膜、催化剂、气体扩散层构成了质子膜燃料电池的核心；气体扩散层（此处讨论为GDL+MPL）在结构上直接连接着燃料电池极板和催化层，建立了从气体流道的毫米尺度到催化剂的纳米尺度之间的桥梁，在燃料电池工作中不仅起着传输反应介质，排出电化学产物的作用，而且不断进行着热和电的传导。
气体扩散层(GDL)是由多孔、且非编织特性的碳基材组成，基材经过 PTFE 疏水处理后，涂布单层或多层的微孔层(MPL)，形成具有不同孔隙的多孔结构。
下图为气体扩散层三维结构示意图，其中具大孔结构的碳纸基材标示为绿色，PTFE 疏水材为黄色，最上层的微孔结构标示为蓝色 。一般而言，燃料电池气体扩散层材料具有以下关键特色，这些特性之间除了有基本功能考虑，部分存在竞争关系，在材料设计与选用时，皆需纳入做通盘考虑。
气体扩散层之三维结构
反应气体扩散: 气体扩散层要能传递反应物(氢气、氧气)，确保 足够的反应物可快速且均匀的扩散至催化剂层，以进行电化学反 应，因此，气体扩散层的孔径必须够大且这些孔隙需具备足够的疏 水特性以避免燃料电池的产物水阻塞孔道。
产物扩散与传输: 气体扩散层需有效的将液态水自催化剂层移至 流道板，以避免让液态水阻塞了反应物的扩散通道。然而，排水的 特性需要被优化设计，如果排水能力太高，则将导致质子传导膜 太干而产生脱水，进一步将使得质子交换膜的质子传导率下降。
导电特性: 气体扩散层材料导电特性越高越好，这有助于减少电子传导过程的奥姆损失，帮助电子在催 化层和集电板之间传递。然而，调整气体扩散层的其他物理特性时，都会影响到材料的导电特性，例如 增加气体扩散层的孔隙率以及 PTFE 含量时，都将使得导电特性下降。一般材料的导电特性还可以藉由碳 材料的热处理温度进行改善。
导热特性: 膜电极组(MEA)反应产生的热/冷，需由气体扩散层传导至双极板上，同时也须保持膜电极组 均匀的温度分布。热量的局部累积将会对电池电极反应、质子传导膜的奥姆损失以及水的挥发与冷凝产 生直接的影响。
机械支撑性: 在膜电极组中，气体扩散层也扮演支撑膜电极组的角色，用来保护催化剂和质子传导膜， 避免气体流道的压力差而损伤膜电极组，也避免质子传导膜在电池加压组装时陷入流道板而造成损坏。
下面介绍七合一的气体扩散层（GDL+MPL）制作工艺
Step 1.切碎碳纤维
切碎碳纤维的工艺流程示意图
Step 2. 有机纤维碳化
有机聚合物经过纺丝和稳定之后通过高热解温形成碳纤维，热解在温度高达1100-1350℃的惰性气体中进行，材料释放出大量的氢气、氮气和氧气等气体，形成碳质量分数在90%以上的碳纤维制品。
Step 3. 造纸/织布工艺
将碳纤维进行分段剪切并在专门的溶液中进行分散，接着用类似造纸的工艺将碳纸成型，成型后的碳纸再经过树脂（热固性树脂如酚醛树脂等）浸渍和硫化，这一阶段的工艺基本决定了碳纸的厚度、孔隙率以及孔隙分布的各项特性。
Step 4. 石墨化
成型的GDL被加热到2200-3000℃（也有说是在1400-2000℃）完成石墨化，这个阶段非常重要，通过石墨化以后扩散层会在导电、导热以及机械强度方面得到全面提升，而且扩散层的化学稳定性以及表面物理稳定性更强，因此石墨化的程度是一非常关键的标准。
Step 5. 疏水处理
这一阶段主要进行PTFE（PTFE类、氟乙烯、丙烯FEP）溶液的浸渍、烘干以及烧结。燃料电池优化的核心就是水热管理，扩散层疏水处理对燃料电池工作过程中能够顺利排出生成的水，同时又不阻碍反应气体扩散起着很重要的作用，GDL的疏水性要弱于MPL层，形成水力梯度以防止水淹。
Step 6. MPL层涂布
最后通过喷涂、丝印或沉积的方法将MPL层乳液涂布在GDL层上，最终烧结形成气体扩散层，乳液的原料的配比对MPL层孔隙率以及疏水性能有着重要影响。
Step 7完整的GDL与前制程加工好的MEA贴合
来源：艾邦氢科技网综合整理
原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：七合一气体扩散层（GDL+MPL）制作工艺
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