膜电极气体扩散层简介膜电极（membraneelectrodeassembly，MEA）是质子交换膜燃料电池的核心组成成分，由里及外分别
由质子交换膜（protonexchangemembrane，PEM）、催化层（catalystlayer，CL）和扩散层（g
asdiffusionlayer，GDL）三部分组成。图1膜电极的结构气体扩散层的功能在PEMFC膜电极中，气体扩散层主要
起到传输气体和水分的作用，负责将双极板中的氢气和氧气引导到催化层中，为催化层提供足够的气体用于反应；同时将催化层中生成的水传递到双
极板，防止生成物在催化层中堆积，阻碍反应的进一步进行，也就是“水淹”。所以扩散层必须是多孔的材料，具备良好的透气性和良好的排水特性
。扩散层需要具有良好的电子导电性，这样从催化层中生成的电子，才能顺利地穿过扩散层，移动到双极板上。除此了这些主要功能之外，扩散层还
为膜电极提供了一定的支撑强度，扩散层是膜电极中厚度最厚部分，通常大于100μm。现在的气体扩散层主要是碳纸作为原材料，孔隙率在60
%~80%，经过疏水处理后形成亲水性孔道和疏水性孔道，亲水性孔道可以将催化层中的水引导到双极板中，而疏水性孔道则为气体扩散提供传输
路径。扩散层的结构气体扩散层主要由两部分组成，分别是大孔隙的基底层和小孔隙的微孔层。其中基底层为微孔层和催化层提供支撑作用，微孔层
则改善了基底层与催化层之间的接触界面。图2气体扩散层的组成结构基底层基底层（gasdiffusionbarrier,GD
B）是扩散层最主要的部分，孔隙率高，一般能达到70%以上；孔径较大，在50~150μm之间。构成基底层的材料主要是一些碳材料，比如
碳布、碳纸、非织造布及炭黑纸，也有使用非碳的金属材料，比如泡沫金属或金属网。碳布：又称为碳纤维布，由长的碳纤维经过编织形成，孔隙率
70%以上，比较软，具有良好的弯曲能力，能够良好地贴合到催化层表面。但是同时也造成了其机械强度不足，难以提供足够的支撑强度。碳纸：
由5~20μm的短切碳纤维压制而成，与碳布相比，缺乏柔韧性，脆性大，但是制作工艺简单，具有更高的机械强度，所以更加适合用作膜电极的
基底层，是目前商业化的首选材料。基底层间的孔隙是气体和液态水的传输的主要通道。碳材料本身是一类亲水性的材料，生成的水会遍布在所有孔
隙中，阻碍气体的传输。为了避免水汽堵塞孔道，需要对基底层用PTFE进行疏水处理，形成一部分疏水性孔道，为干燥的气体预留传输的路径。
理论上，碳纸越薄，电子从催化层传递到双极板的距离越短，电阻越小，越有利于电池的输出性能；但是厚度过薄会导致支撑强度不够，所以基底层
的厚度应该在保持足够支撑特性的前提下，尽可能降低厚度。对于孔隙率来说，孔隙率越大，透气性越好，传质阻力越小；但另外一方面，孔隙率太
高会导致电子传递的路径减少，电阻增大。商用的孔隙率一般在70%左右可以实现一个较好的性能。图3碳纤维布及其电镜图微孔层基底层
的孔隙率高，孔径大，直接与催化层接触，会减小有效接触面积，进而导致接触面电阻增大；另外一方面，催化层中的催化剂颗粒有可能脱落，堵塞
在孔隙中，会降低催化有效面积降低和气体孔隙度。所以，我们需要在基底层和催化层之间涂覆一层微孔层（micro-porouslaye
r,MPL）用于改善基底层和催化层之前的界面。微孔层一般由炭黑粉和PTFE混合制备而成，再通过热压、喷涂、印刷等方式固定在基底层
上，形成小气孔结构。微孔层的孔径小，一般在5~50μm级别，可以有效阻止制备过程催化层中的催化剂颗粒脱落后堵塞气体孔道。微孔层平整
度比基底层高，作为中间过渡层，可以有效提高与催化层之间的接触面积，降低界面电阻，改善界面电化学反应。另外，微孔层的存在还有利于改善
水管理。由于微孔层和基底层的孔径不同，会形成孔径梯度，在气体扩散层两侧形成压力梯度，迫使水分从催化层向气体扩散层传输，阻碍液态水在
在催化层表面凝聚长大，从而防止催化层水淹。一个性能优异的微孔层，可以降低对基底层的要求，即便基底层的性能差别较大，只要保证微孔层一
致，也能获得相近的排水导气性能。扩散层的水汽传输气体扩散层的主要作用就是分配气体和水分。为了达到这个目的，必须对扩散层进行疏水性处
理，通常是使用PTFE进行表面处理，否则全部孔道都会被形成水膜，气体将无从进入催化层。疏水剂PTFE通常只能进入较大的孔隙，所以大
孔径的间隙会被覆盖上PTFE，形成疏水表面，构成气体通道；而小孔径的间隙则构成水分通道。水分要顺利排出，需要催化层和扩散层之间形成
压力，产生毛细作用力，水分会在毛细力的作用下渗透到亲水孔道内。式中，Pc表示毛细压力，Pl表示液相压力，Pg表示气相压力，R是临界
半径，σ是水的表面张力，β是接触角。可见，当液态水增加累积到一定程度时，毛细压力Pc>0，才能触发液态水的传输。当Pc较小时，临界
半径较大，水滴只能沿着大孔传输；当Pc较大时，临界半径较小，水滴可以沿着小孔传输。当毛细压力达到临界条件，催化层中形成的液态水会形
成小水珠，并在毛细力的作用下填充到扩散层中相应的孔道。小水滴沿着低水分浓度的方向流动，最后在扩散层/双极板界面汇聚成大液滴，随着流
道中的高速气流排出到外界，这个过程被称为树状模型。图4气体扩散层的水流的树状传输模型4另外一个指状模型认为，扩散层中的毛细管存
在许许多多的指状通道，通道之间互相联通，水分会在通道中聚集，形成大小不一的水流，随着压力增大，其中一条水流会率先排出。通道中的水分被排出后，通道内的压力骤减，周围的水流会在压力差的作用下流向该通道流动，并一同排到双极板的流道中。图5气体扩散层的水流的指状传输模型 |
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