國際氫能展獲悉，如何加強對氫能的利用成為各國科技競爭的熱點，其中，質子交換膜燃料電池作為以氫氣為能源的能源轉換裝置，具有高效、環境友好、工作條件溫和等優勢，備受關注。

質子交換膜燃料電池快速發展，但仍面臨氣體傳質和水管理薄弱的問題，導致體積比功率較低。如何能在節約成本的情況下，進一步提升電池性能?

9月25日，記者從中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所獲悉，該所周小春研究員團隊利用激光雕刻技術，以東麗碳紙為基材，設計制備了具有波形流道和微通道脊的新型一體化GDL(氣體擴散層)。其具有豐富的多孔結構，具備優異的氣體傳質和水管理能力，可提升燃料電池的性能。近日，該成果論文發表在國際期刊《科學進展》上。

提升燃料電池性能難在哪

質子交換膜燃料電池即氫燃料電池，由流場板、氣體擴散層、微孔層、催化層、質子交換膜等組件構成，可用于電動汽車、電動自行車、電動三輪車等交通工具以及小型發電站等。

氣體擴散層位于流場板和催化層之間，在燃料電池中起著導電、支撐膜電極、傳質、水管理的作用。在質子交換膜燃料電池工作中，反應氣體經氣體擴散層傳遞到催化層，催化層生成的水經由氣體擴散層排出。而反應氣體的傳質和水的排出直接影響著膜電極性能，較差的氣體傳質和水管理能力都會導致膜電極性能的降低。

為解決傳質和水管理薄弱的難題，科學家曾通過改變流場板的流道結構，或者采用金屬泡沫、石墨烯泡沫取代傳統流場板等方法，來提高質子交換膜燃料電池的傳質能力，提升燃料電池性能。

然而，金屬泡沫以及石墨烯泡沫這種無流場結構在高電流密度下仍會存在傳質和水管理問題，進而影響燃料電池的性能。因此，迫切需要新的方法解決這一難題。

新型一體化GDL“合二為一”

目前，氣體擴散層通常由基底層和微孔層構成，其中構成基底層的材料一般是碳紙、碳布等。

周小春團隊經過多年積累，從燃料電池結構入手，經過不斷調試和優化，最終以碳紙為基材，利用激光雕刻的方法在碳紙上制備出了流場結構，從而得到新型一體化GDL。這種新型一體化GDL將傳統質子交換膜燃料電池中的流場板和氣體擴散層的功能合二為一，能有效解決傳統燃料電池傳質和水管理薄弱的問題。

團隊成員、論文第一作者何燦介紹，與傳統燃料電池相比，新型一體化GDL具有3個顯著優點：一是它簡化了燃料電池的結構，將氣體擴散層和流場板合為一體，使得GDL一個部件兼具兩種功能，降低了生產成本;二是具有較寬的濕度耐受性，應用范圍更廣;三是新型一體化GDL具有波形流道和微通道脊的特殊結構，電池性能更高，它能在低倍壓的情況下達到甚至超過原先燃料電池在高倍壓下的性能，有望降低燃料電池系統空氣壓縮機的能耗，從而提升燃料電池汽車的續航里程。

未來，團隊希望能繼續在一體化GDL領域進行深入研究，并將其廣泛應用于質子交換膜燃料電池和其他能量轉換器件中。

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