目前在制氫電解槽領(lǐng)域，堿式制氫是主流，但是在氫燃料電池生產(chǎn)領(lǐng)域，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是主流。

質(zhì)子交換膜燃料電池的主要零部件是氫燃料電池技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)的重心，這與其產(chǎn)品特點(diǎn)有關(guān)，操作溫度低（約80℃）、功率密度高、啟動(dòng)快、對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)快，非常適合作為氫燃料電池的應(yīng)用需求。市場(chǎng)空間帶動(dòng)了這一領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)，并對(duì)其上游關(guān)鍵零部件生產(chǎn)也提出要求，其中氣體擴(kuò)散層是重要零部件之一。

什么是氣體擴(kuò)散層

氣體擴(kuò)散層在燃料電池中起到支撐催化層、收集電流、傳導(dǎo)氣體和排出反應(yīng)產(chǎn)物水的作用，簡(jiǎn)稱GDL。同催化劑一樣，也分陰極擴(kuò)散層和陽(yáng)極擴(kuò)散層。

擴(kuò)散層和催化劑在膜電極中的位置

氣體擴(kuò)散層是電堆中成本占比比較高的組成部分，僅次于催化劑。催化劑成本占比高更多是因?yàn)橘F金屬的使用以及國(guó)產(chǎn)化還未普及，而氣體擴(kuò)散層目前成本比較高的最主要原因是國(guó)外的技術(shù)壟斷還未完全破除。

來源：清楓資本

氣體擴(kuò)散層的功能

它在氫燃料電池中發(fā)揮的作用可以從以下電化學(xué)反應(yīng)過程中得到完整理解：燃料氣體經(jīng)過陽(yáng)極擴(kuò)散層到達(dá)催化劑層，在催化劑的作用下發(fā)生電極反應(yīng)，即：該電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過催化劑層的傳導(dǎo)流經(jīng)外電路到達(dá)陰極，同時(shí)氫離子在質(zhì)子交換膜的作用下到達(dá)陰極。

氧氣通過陰極擴(kuò)散層后與氫離子和電子在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)，生成水，而且這種生成的水必須及時(shí)排出，以免發(fā)生“水淹電極”的現(xiàn)象。由此可知?dú)怏w擴(kuò)散層在電極中不僅起著支撐催化劑層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)的作用，還具備為電極反應(yīng)提供氣體通道、電子通道和排水通道的多種功能。與氣體擴(kuò)散層名稱相近的名字有氣體擴(kuò)散電極，它和氣體擴(kuò)散層的區(qū)別就在于是否具備催化劑。簡(jiǎn)而言之，氣體擴(kuò)散電極是直接把催化層做到氣體擴(kuò)散層上，也就是在微孔層外面還有一層催化層。

氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)

氣體擴(kuò)散層通常由基底層（GDB）覆有一層較薄的微孔碳層的（MPL）組成。基底層直接與氣流通道接觸，用作氣液體的擴(kuò)散與導(dǎo)電。微孔層含有碳粉和疏水劑，主要管理液態(tài)水和水蒸氣的流動(dòng)。

氣體擴(kuò)散層的結(jié)構(gòu)基底層的碳纖維是氣體擴(kuò)散層的核心，它決定了氣體擴(kuò)散層的大部分性能。碳纖維的平均孔徑約為10.0μm，孔隙率為0.7~0.8，在應(yīng)用前需進(jìn)行疏水處理，確保氣體擴(kuò)散層具有適當(dāng)?shù)乃畟鬏斕匦裕ǔＪ菍⑵浣氲绞杷畡ㄈ鏟TFE）的水分散溶液中，當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)被完全浸透后轉(zhuǎn)移至高溫環(huán)境中進(jìn)行干燥處理，從而形成耐用的疏水涂層。微孔層通常由碳黑、憎水劑構(gòu)成，厚度為10~100μm，用于改善基底孔隙結(jié)構(gòu)、降低基底與催化層之間的接觸電阻、引導(dǎo)反應(yīng)氣體快速通過擴(kuò)散層并均勻分布到催化劑層表面、排走反應(yīng)生成的水以防止“水淹”發(fā)生。

氣體擴(kuò)散層微觀結(jié)構(gòu)

氣體擴(kuò)散層的性能表現(xiàn)

在功能角度看，氣體擴(kuò)散層均勻地將反應(yīng)氣體從流場(chǎng)引導(dǎo)至催化劑層，確保組件的機(jī)械完整性，并以一定的速度排除陰極上的反應(yīng)產(chǎn)物（水），防止陰極催化劑層發(fā)生“水淹”，也避免因失水過多導(dǎo)致陰極組件干燥而降低各離子的傳導(dǎo)率。因此，發(fā)生在氣體擴(kuò)散層上的過程有：熱轉(zhuǎn)移過程、氣態(tài)輸運(yùn)過程、兩相流過程、電子輸運(yùn)過程、表面液滴動(dòng)力學(xué)過程等。氣體擴(kuò)散層的功能主要看以下指標(biāo)：?孔結(jié)構(gòu)：均勻的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)透氣性能好；孔隙率、孔分布和孔體積是衡量擴(kuò)散層孔結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。?親/疏水性質(zhì)：適當(dāng)?shù)挠H水/憎水平衡，防止過多的水分阻塞孔隙而導(dǎo)致氣體透過性能下降；?導(dǎo)電性：結(jié)構(gòu)緊密且表面平整，減小接觸電阻，電子傳導(dǎo)能力強(qiáng)；?機(jī)械強(qiáng)度適宜：適當(dāng)?shù)膭傂耘c柔性，利于電極的制作，提供長(zhǎng)期操作條件下電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；?穩(wěn)定性強(qiáng)：具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；?制造成本低：性能/價(jià)格比高。

氣體擴(kuò)散層的厚度、表面預(yù)處理會(huì)影響傳熱和傳質(zhì)阻力，是整個(gè)氫燃料電池系統(tǒng)濃差極化、歐姆極化的主要源頭之一；通常以減小氣體擴(kuò)散層厚度的方式來降低濃差極化、歐姆極化，但也可能導(dǎo)致氣體擴(kuò)散層機(jī)械強(qiáng)度不足。因此，研制親疏水性合理、表面平整、孔隙率均勻且高強(qiáng)度的氣體擴(kuò)散層材料，是氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)氣體擴(kuò)散層的研究，除了材料制備，還有關(guān)于壓縮、凍融、氣流、水溶造成的機(jī)械降解以及燃料電池啟動(dòng)、關(guān)閉及“氫氣饑餓”時(shí)的碳腐蝕造成的化學(xué)降解等的性能退化研究。

氣體擴(kuò)散層的分類

基底層是氣體擴(kuò)散層的核心，圍繞這一核心，人們也進(jìn)行過多重探索，選取了一些材料進(jìn)行研究和應(yīng)用。材料主要包括四類：碳纖維紙、碳纖維編織布、無紡布及炭黑紙。有些研究小組也在使用金屬材料，如扁平的金屬海綿——網(wǎng)狀金屬鎳。

?碳纖維紙：碳纖維紙是一種廣泛應(yīng)用于PEMFC電極中的氣體擴(kuò)散層材料，它不僅具有均勻的多孔質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)，而且由于主要原料使用石墨化碳纖維，使得它具備優(yōu)異的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

科德寶的碳纖維紙

?碳纖維編織布：由于碳纖維紙脆性大，缺乏柔性，在制備電極的過程中易被損壞，因此在PEMFC電極中使用較多的氣體擴(kuò)散層基底材料還有碳纖維編織布。它沒有碳纖維紙那樣的機(jī)械脆性，具有彎曲性能，依賴于纖維結(jié)構(gòu)和編織工藝；還具有一定的抗壓性能，有利于通過加壓的辦法來改善它與電解質(zhì)或催化劑層的電接觸。編織用的碳纖維紗線是長(zhǎng)的碳纖維，經(jīng)捆扎而成，但最好是通過紡紗工藝對(duì)紗線加捻后編織成布，不過這種碳布也可以是由碳纖維的前驅(qū)體編織成布后經(jīng)過炭化制成。

碳能科技生產(chǎn)的碳纖維編織布

?無紡布：為了克服碳纖維紙缺乏柔性而碳纖維編織布缺乏尺寸穩(wěn)定性的弱點(diǎn)，PEMFC電極用氣體擴(kuò)散層基底還可選用碳纖維無紡布。它同時(shí)具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，且有高的柔性和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，從而利于電極的制作。適合的材料最好包括碳纖維、玻璃纖維或者含有機(jī)聚合物的纖維，這些有機(jī)聚合物可以是聚丙烯、聚酯（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）、聚亞苯基硫或聚醚酮等。

?碳黑紙：作為氣體擴(kuò)散層基底使用的炭黑紙，是由炭粉和聚合物粘結(jié)劑均勻分散后，經(jīng)過熱壓成型而形成表面平整的片材，其中聚合物與炭粉的質(zhì)量比在20：80和45：55之間。炭粉可選用活性炭、炭黑、乙炔黑或其混合物，炭粉的比表面積在50m2/g-2000m2/g之間；聚合物可選擇氟樹脂，如PTFE、聚偏1、1-二氟乙烯等，這種氟樹脂同時(shí)還可作為炭黑紙的憎水處理劑，從而簡(jiǎn)化了后面的憎水處理工藝，降低了成本。在長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，由于碳纖維紙質(zhì)量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙率均勻且強(qiáng)度高，厚度可根據(jù)使用要求調(diào)整，更適合耐久性燃料電池使用。碳紙也因其制造工藝成熟、性能穩(wěn)定，成為氣體擴(kuò)散層材料的主流選擇。

碳纖維紙技術(shù)核心

碳紙是氣體擴(kuò)散層核心原材料，是由經(jīng)短切的碳纖維通過濕法或干法工藝制備而成。碳紙的基材來源于碳纖維，把碳纖維做成碳紙才是核心的難點(diǎn)所在。除了碳纖維基材，掌握材料的結(jié)構(gòu)和水熱管理也相當(dāng)關(guān)鍵。碳紙?jiān)谖覈?guó)仍處于國(guó)產(chǎn)化初期，碳紙制備的主要難點(diǎn)在于，如何在保證透氣率、導(dǎo)電導(dǎo)熱和提供支撐性的功能要求下，將厚度控制在下游產(chǎn)品要求之內(nèi)；此外碳紙生產(chǎn)過程中的樹脂添加劑配方也是各企業(yè)核心機(jī)密。

碳紙的制備流程圖 來源：杭州晨昕

碳紙制備分為兩大技術(shù)路線，分別為干法和濕法。濕法工藝是目前的主流技術(shù)，是將碳纖維與水、分散劑混合后經(jīng)抄紙工藝得到原紙，再經(jīng)浸漬、樹脂化、碳化等流程得到碳紙。干法工藝是以空氣為介質(zhì)，采用氣流成網(wǎng)工藝加工成原紙，并經(jīng)涂膠、干燥和碳化等后道工藝加工制備而成，所制得的碳紙具有導(dǎo)電性能好、強(qiáng)度較高、透氣性好等優(yōu)點(diǎn)。目前世界范圍內(nèi)鮮有企業(yè)掌握干法量產(chǎn)制備碳紙?jiān)埖墓に嚒?/p>

氣體擴(kuò)散層企業(yè)

氣體擴(kuò)散層是氫燃料電池電堆的關(guān)鍵材料，在很長(zhǎng)的時(shí)間里，歐美日企業(yè)幾乎壟斷了這一領(lǐng)域，其中最著名的事美國(guó)Avcarb、日本東麗、日本三菱化學(xué)、德國(guó)科德寶、德國(guó)西格里等。日本東麗早在1971年開始進(jìn)行碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn)，是全球碳纖維產(chǎn)品的最大供應(yīng)商，其他公司主要以該公司的碳產(chǎn)品為基礎(chǔ)材料。

氣體擴(kuò)散層的產(chǎn)業(yè)化涉及制漿造紙、涂布熱壓、碳化石墨化等多行業(yè)領(lǐng)域交叉，同時(shí)對(duì)工程技術(shù)平臺(tái)和公用工程平臺(tái)的依賴也比較大，這限制了很多企業(yè)入局。另外，為促進(jìn)氣體擴(kuò)散層材料設(shè)計(jì)與開發(fā)，研究者利用中子照相技術(shù)、X-ray電子計(jì)算機(jī)斷層描繪技術(shù)、光學(xué)可視化技術(shù)、熒光顯微術(shù)等手段來可視化材料結(jié)構(gòu)和表面水的流動(dòng)狀態(tài)，并利用隨機(jī)模型法、兩相流模型數(shù)字化重構(gòu)氣體擴(kuò)散層宏觀形貌（孔隙）結(jié)構(gòu)；為研究氣體擴(kuò)散層氣–液兩相流行為，較多運(yùn)用雙流體模型、多相混合模型、格點(diǎn)Boltzmann方法、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型、流體體積（VOF）法等。盡管面臨各種技術(shù)難關(guān)，仍有一些企業(yè)正在這一領(lǐng)域緊追猛趕。尤其是碳紙的應(yīng)用場(chǎng)景在近些年已經(jīng)大大擴(kuò)展，吸引了大量的企業(yè)進(jìn)入此領(lǐng)域，并取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。

這些國(guó)內(nèi)企業(yè)包括：  

碳能科技：

碳能科技成立于2006年9月，志在發(fā)展一個(gè)“潔凈的能源技術(shù)(Clean EnergyTechnology)”，以碳素材料及高溫技術(shù)，應(yīng)用于能源科技，特別是無污染之燃料電池、大型儲(chǔ)能系統(tǒng)（VRB，全釩氧化還原液流電池）及高階電子產(chǎn)品熱管理組件。碳能科技位于臺(tái)中，主要在研發(fā)與生產(chǎn)銷售氣體擴(kuò)散層(GDL)，為市面所稱之碳纖維紙與碳纖維布。2017年6月，臺(tái)灣碳能科技推出新炭紙產(chǎn)品GDS090與GDL120。 

 仁豐特材：

山東仁豐特種材料股份有限公司成立于2006年，擁有豐富的濕法抄造和特種材料生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，熟悉涂布及熱壓工藝，已申報(bào)氫燃料用炭紙相關(guān)發(fā)明專利8項(xiàng)，形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。仁豐特材150萬m2/年氣體擴(kuò)散層GDL生產(chǎn)線已列入淄博市“十四五”氫能產(chǎn)業(yè)重大示范及山東省能源領(lǐng)域重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，現(xiàn)一期50萬m2產(chǎn)線已建成投產(chǎn)。  

金博股份：

2021年8月金博氫能投資約3,000萬元，用于氫燃料電池相關(guān)材料等的研發(fā)、生產(chǎn)。2022年6月9日，金博股份發(fā)布公告，與神力科技就氫燃料電池領(lǐng)域應(yīng)用的碳紙、柔性石墨極板達(dá)成戰(zhàn)略合作。金博股份正在建設(shè)每年30萬平方米的產(chǎn)能，片狀碳紙將于2022年投產(chǎn)、2022年底形成銷售，卷狀碳紙將于2023年上半年投產(chǎn)。  

上海嘉資：上海嘉資新材料有限公司成立于2007年，長(zhǎng)期專注于碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)與設(shè)計(jì)，目前公司已掌握了獨(dú)家干法成紙技術(shù)，并具備了從碳紙?jiān)埖綒怏w擴(kuò)散層的全流程批量生產(chǎn)能力。公司于2017年便成功批量制備出了第一代碳紙產(chǎn)品，2019年量產(chǎn)的第五代碳紙產(chǎn)品完全滿足了氫燃料電池對(duì)核心材料氣體擴(kuò)散層應(yīng)用方面的全部技術(shù)要求。同時(shí)，公司具備電解水制氫用碳紙產(chǎn)品和液流電池用碳?xì)之a(chǎn)品生產(chǎn)能力和產(chǎn)線。  

中復(fù)神鷹：

中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司隸屬于中國(guó)建材，是集碳纖維及其復(fù)合材料研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)。中復(fù)神鷹系統(tǒng)掌握了T700級(jí)、T800級(jí)、M30級(jí)、M35級(jí)千噸級(jí)技術(shù)以及T1000級(jí)、M40級(jí)百噸級(jí)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了干噴濕紡的關(guān)鍵技術(shù)突破和核心裝備自主化，擁有成熟的萬噸級(jí)碳纖維生產(chǎn)制造技術(shù)。目前，公司產(chǎn)品基本實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)型、高強(qiáng)中模型、高強(qiáng)高模型各類型碳纖維的品種覆蓋，并被廣泛應(yīng)用于航空航天、壓力容器、碳碳復(fù)材、風(fēng)電葉片、交通建設(shè)、體育休閑等領(lǐng)域，極大地促進(jìn)了國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 

通用氫能：

深圳市通用氫能科技有限公司是華電重工子公司，致力于氫能關(guān)鍵材料氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜及催化劑的研發(fā)與批量化制造。公司對(duì)外公告在深圳已建成年產(chǎn)10萬㎡氣體擴(kuò)散層產(chǎn)線，并掌握卷對(duì)卷生產(chǎn)工藝。  

碳際科技：

碳際科技成立于2021年，主要聚焦于燃料電池和氫燃料電池用碳紙及氣體擴(kuò)散層技術(shù)和產(chǎn)品。碳際科技目前已推出多個(gè)型號(hào)氣體擴(kuò)散層產(chǎn)品，并正籌劃年產(chǎn)30萬平氣體擴(kuò)散層產(chǎn)線建設(shè)。

現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)氣體擴(kuò)散層跟國(guó)外的先進(jìn)水平相比存在一定的差距。從氣體擴(kuò)散層的技術(shù)指標(biāo)來看，國(guó)外先進(jìn)水平電流密度達(dá)到2.5-3.0A/cm3，國(guó)內(nèi)企業(yè)在近年進(jìn)步很快，已經(jīng)能達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品的中等水平。

資料來源：燃料電池小課堂、清楓資本等