燃料電池氣體擴(kuò)散層（GDL）是燃料電池膜電極的重要組成部分，位于流場和催化劑層之間，是支撐催化劑層和收集電流的重要結(jié)構(gòu)，同時(shí)為電極反應(yīng)提供氣體、質(zhì)子、電子和水等多個(gè)通道。氣體擴(kuò)散層材料的性能直接影響著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行和電池的工作效率。選用高性能的氣體擴(kuò)散層材料，有利于改善膜電極的綜合性能。

燃料電池氣體擴(kuò)散層需要具備以下要求：均勻的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，透氣性好；電阻率低，電子傳導(dǎo)能力強(qiáng)；結(jié)構(gòu)緊密且表面平整，減小接觸電阻，提高導(dǎo)電性能；具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，適當(dāng)?shù)膭傂耘c柔性，利于電極的制作，提供長期操作條件下電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；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；具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

氣體擴(kuò)散層(GDL)是一類疏水多孔介質(zhì)材料，通常由多孔、非編織性和大孔結(jié)構(gòu)的碳基材組成，基材經(jīng)PTFE疏水處理后，并涂覆有單層或多層微孔層(MPL)。一般，質(zhì)子交換膜燃料電池用氣體擴(kuò)散層材料應(yīng)具有反應(yīng)氣擴(kuò)散、產(chǎn)物水?dāng)U散傳輸、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機(jī)械支撐等關(guān)鍵特性。

反應(yīng)氣擴(kuò)散

氣體擴(kuò)散層的首要任務(wù)是傳送反應(yīng)氣氫氣和氧氣，確保足夠的反應(yīng)物質(zhì)快速和均勻擴(kuò)散至催化層。因此，氣體擴(kuò)散層的孔徑在一定范圍內(nèi)應(yīng)足夠大，且孔隙需具備足夠的疏水特性以避免燃料電池的產(chǎn)物水阻塞孔道。

產(chǎn)物水?dāng)U散與傳輸

一方面，氣體擴(kuò)散層需有效將液態(tài)水自催化層移至流場板(或極板)，以避免液態(tài)水阻塞反應(yīng)物擴(kuò)散通道引起傳質(zhì)極化增加。另一方面，排水特性需進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)。排水能力過強(qiáng)，將導(dǎo)致質(zhì)子膜過度干燥產(chǎn)生“脫水”現(xiàn)象，質(zhì)子傳導(dǎo)率下降。

導(dǎo)電

氣體擴(kuò)散層材料導(dǎo)電能力高有助于降低電子傳導(dǎo)過程中的歐姆損失。但調(diào)整氣體擴(kuò)散層的其他物理特性會(huì)影響到材料的導(dǎo)電特性，如：增加氣體擴(kuò)散層的孔隙率及PTFE含量時(shí)，通常導(dǎo)電率將下降。一般，碳基材料的導(dǎo)電特性可依據(jù)碳材料的熱處理溫度進(jìn)行改善。

導(dǎo)熱

典型PEMFC單體溫度分布

膜電極反應(yīng)產(chǎn)生的熱量需自氣體擴(kuò)散層傳導(dǎo)至極板，同時(shí)需保持膜電極溫度分布均勻。熱量的局部累積將對電池的電極反應(yīng)、質(zhì)子膜歐姆損失、水揮發(fā)與冷凝產(chǎn)生直接影響。

機(jī)械支撐

在膜電極組件中，氣體擴(kuò)散層扮演著支撐CCM角色，即保護(hù)催化層和質(zhì)子膜作用。此外，氣體擴(kuò)散層的存在避免了流場板高強(qiáng)度面壓對CCM的損傷、電池裝配過程中CCM浸入流場板引起的干擾傳質(zhì)和強(qiáng)度破壞等問題。

氣體擴(kuò)散層材料技術(shù)

氣體擴(kuò)散層（GDL）通常由基底層和微孔層組成?；讓咏?jīng)過疏水處理后，在其上涂覆單層或多層微孔層，從而制成氣體擴(kuò)散層。其中，基底層通常由碳纖維各向異性堆疊組成，直接與雙極板接觸；微孔層由納米碳分和疏水材料混合而成，直接與催化層接觸。

氣體擴(kuò)散層制作工藝中不同碳纖維產(chǎn)品

目前基底層主要是由多孔的碳纖維紙或碳纖維布構(gòu)成。碳纖維紙和碳纖維布的多孔結(jié)構(gòu)為反應(yīng)物氣體以及產(chǎn)物水提供了傳導(dǎo)的通道。碳纖維紙是以碳纖維主要材料，輔以黏合劑經(jīng)抄紙工藝而制得的紙狀材料。微孔層是由將導(dǎo)電炭黑和疏水劑用溶劑混合均勻后得到的黏稠漿料，采用絲網(wǎng)印刷、噴涂或涂布方式將其涂覆到基底層表面，經(jīng)過高溫固化，得到微孔層。而完成微孔層的涂覆后的基底層進(jìn)一步優(yōu)化了微觀上的傳質(zhì)、傳熱、導(dǎo)水和導(dǎo)電性能。因此，基底層和微孔層共同決定了氣體擴(kuò)散層的產(chǎn)品特性。

氣體擴(kuò)散層（GDL）在電池中起到支撐催化劑層并提供反應(yīng)氣體和生成水的通道，同時(shí)還要具備比較良好的導(dǎo)電性能及在電化學(xué)反應(yīng)下的抗腐蝕能力。因此GDL材料的性能直接影響著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行和電池的工作效率。選用高性能的GDL材料，有利于改善膜電極的綜合性能。

氣體擴(kuò)散層發(fā)展

未來，氣體擴(kuò)散層有兩個(gè)發(fā)展方向：

1）設(shè)計(jì)具有梯度孔徑的GDL，以提高膜電極本身的傳質(zhì)能力。例 如，降低 GDL 一側(cè)或兩側(cè)的孔隙率可以降低接觸電阻并在 GDL 內(nèi)部產(chǎn)生孔隙梯度，以促 進(jìn)反應(yīng)物供應(yīng)和水分去除。

2）采用“集成雙極板-膜電極”或“無氣體擴(kuò)散層”設(shè)計(jì)，減少或消除界面電阻，以同時(shí)滿足導(dǎo)電、氣體分配和水管理的要求。

國內(nèi)外氣體擴(kuò)散層生產(chǎn)商

德國西格里SGL

德國西格里碳素集團(tuán)是目前世界上最大的碳石墨產(chǎn)品制造商，德國西格里（SGL）是德國SIGRI股份有限公司和美國大湖碳素公司于1992年合并而成，擁有從碳、石墨產(chǎn)品到碳纖維及碳碳復(fù)合材料在內(nèi)的完整生產(chǎn)線，其產(chǎn)品在鋼鐵、煉鋁、汽車制造、化工、電子半導(dǎo)體、光伏和LED產(chǎn)業(yè)、鋰離子電池等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用。

德國西格里（SGL）于1998年進(jìn)入中國，集團(tuán)旗下中國業(yè)務(wù)主要分布在上海，由上海西格里東海碳素有限公司、西格里特種石墨（上海）有限公司、西格里石墨技術(shù)（上海）有限公司及其生產(chǎn)基地組成。

日本東麗

東麗集團(tuán)是世界著名的以有機(jī)合成、高分子化學(xué)、生物化學(xué)為核心技術(shù)的高科技跨國企業(yè)。東麗公司是世界上最早從事反滲透膜技術(shù)開發(fā)的企業(yè)之一，早在二十世紀(jì)60年代就開始了膜技術(shù)的研究，從原材料的選用、制膜技術(shù)的開發(fā)以及膜元件構(gòu)造的設(shè)計(jì)等，為這一技術(shù)在超純水、海水淡化等水處理領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在東麗已經(jīng)成為世界上少數(shù)的能同時(shí)提供醋酸纖維膜和聚酰胺復(fù)合膜的廠家；同時(shí)東麗公司也是世界上唯一一家具有RO、NF、UF、MF、纖維濾布系列膜技術(shù)研發(fā)與向市場提供全系列商業(yè)化膜產(chǎn)品的膜廠家。

東麗的碳紙技術(shù)研發(fā)從1982年開始，并在2005年開發(fā)出碳紙卷。隨后于2008年，東麗利用碳紙開發(fā)技術(shù)開始開發(fā)氣體擴(kuò)散層（即具有MPL涂層的碳紙）。

三菱化學(xué)

三菱化學(xué)全稱為三菱化學(xué)集團(tuán)株式會(huì)社，該集團(tuán)主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域包括功能商品領(lǐng)域、材料領(lǐng)域和健康保健領(lǐng)域，主要研發(fā)產(chǎn)品有超低介電損耗薄膜、綠色KTF和BioPTMG等。

三菱化學(xué)公司是一家綜合公司，由三菱化成公司和三菱油化有限公司于1994年10月1日合并而成。三菱化學(xué)的銷售額在日本化學(xué)行業(yè)中居于首位。三菱化學(xué)集團(tuán)是由三菱化學(xué)株式會(huì)社，三菱化學(xué)控股株式會(huì)社，三菱制藥株式會(huì)社以及3個(gè)公司的下屬企業(yè)組成。

三菱化學(xué)公司的氣體擴(kuò)散層呈卷狀，適合批量生產(chǎn)。形態(tài)為碳紙，表面平滑性優(yōu)異。其多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了水分管理功能。卷對卷的后期加工性能優(yōu)異。

美國AvCarb

AvCarb Material Solution(簡稱AvCarb)，AvCarb成立于1950年，公司總部位于美國馬薩諸塞州的洛厄爾市(Lowell)，負(fù)責(zé)包括碳材料制造、熱處理以及產(chǎn)品涂層在內(nèi)的環(huán)節(jié)，并擁有國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO9001認(rèn)證、TS16949認(rèn)證。GDL是AvCarb在新能源領(lǐng)域的主要產(chǎn)品。自2000年起，AvCarb開始GDL材料的研究并參與相關(guān)DOE計(jì)劃，進(jìn)行高性能GDL開發(fā)，并對全球燃料電池制造商供應(yīng)GDL。

科學(xué)材料站中美國AvCarb部分產(chǎn)品

科德寶集團(tuán)

科德寶集團(tuán)是全球領(lǐng)先的非織造布供應(yīng)商?；谄涓呖萍籍a(chǎn)品組合，科德寶為所有聚合物電解質(zhì)膜燃料電池 (PEMFC) 和直接甲醇燃料電池 (DMFC) 應(yīng)用提供 GDL 材料。

科德寶H14 H15 H23 親水碳紙

江蘇天鳥

江蘇天鳥高新技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“江蘇天鳥”）江蘇省宜興市，成立于1997年，是江蘇省高新技術(shù)企業(yè)。主要從事碳纖維、芳綸纖維、石英纖維等特種高科技纖維的應(yīng)用研究及開發(fā)，是專業(yè)生產(chǎn)高性能碳纖維織物、芳綸纖維織物、飛機(jī)碳剎車預(yù)制件、高性能碳/碳復(fù)合材料新型預(yù)制件的高新技術(shù)企業(yè)。 江蘇天鳥承擔(dān)著國內(nèi)所有生產(chǎn)飛機(jī)碳剎車盤單位的碳纖維預(yù)制件供應(yīng)。天鳥公司歷經(jīng)多年努力，研制成功的準(zhǔn)三維立體碳纖維預(yù)制體制備技術(shù)，是碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域的一項(xiàng)重大技術(shù)創(chuàng)新，處于國際領(lǐng)先水平。核心技術(shù)已獲國家發(fā)明專利，擁有全部知識產(chǎn)權(quán)。

通用氫能

深圳市通用氫能科技有限公司（以下簡稱“通用氫能”）成立于2018年，)是華電重工股份有限公司控股的國家高新技術(shù)企業(yè)，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，解決PEM電解水制氫和氫燃料電池領(lǐng)域的“卡脖子“問題，通過關(guān)鍵材料的隆本增效助力我國氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

通用氫能已經(jīng)建成國內(nèi)第一條卷對卷連續(xù)化生產(chǎn)GDL產(chǎn)線，年產(chǎn)能10萬平米，產(chǎn)品與國內(nèi)外數(shù)十家企業(yè)達(dá)成合作意向，也為多家頭部企業(yè)提供產(chǎn)品。

此外，通用氫能也建成了世界首條連續(xù)化生產(chǎn)DMD與質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線，及催化劑和膜電極生產(chǎn)線，主打燃料電池氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、催化劑和膜電極產(chǎn)品等，并進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的多元化，滿足各類燃料電池車、無人機(jī)、軌道交通、電站等要求。

上海濟(jì)平新能源

上海濟(jì)平新能源科技有限公司（以下簡稱“濟(jì)平新能源”）成立于2018年8月，是國內(nèi)第一家實(shí)現(xiàn)催化劑公斤級量產(chǎn)的科技型企業(yè)。氣體擴(kuò)散層方面，上海濟(jì)平氣體擴(kuò)散層技術(shù)是基于具特點(diǎn)的漿液配制法及形成均勻微孔層的步驟。性能優(yōu)異的GDL除能讓氣體均勻擴(kuò)散進(jìn)催化劑層進(jìn)行3相反應(yīng)外，還須構(gòu)造有利于排水；漿液中粒子分散良好，且在GDL形成時(shí)不會(huì)團(tuán)聚；漿液流動(dòng)性質(zhì)佳且穩(wěn)定，適合涂抹；孔隙分布控制良好，使MEA能在很廣的濕度范圍能保持好的性能。

2019年8月，濟(jì)平新能源舉辦投產(chǎn)儀式，成為國內(nèi)第一家量產(chǎn)催化劑和氣體擴(kuò)散層的企業(yè)。

臺(tái)灣碳能科技

臺(tái)灣碳能科技股份有限公司（以下簡稱“臺(tái)灣碳能”）成立于2006年9月，主要研發(fā)與生產(chǎn)銷售氣體擴(kuò)散層、碳纖維紙與碳纖維布，以及VRB電極材料?，并于2012年10月正式推出高導(dǎo)熱人工石墨片，作為高階智慧型手機(jī)用的導(dǎo)熱、散熱元件，已正式供貨給多家國際級智慧型手機(jī)大廠。

臺(tái)灣碳能第二代全新的碳纖維基材已經(jīng)研發(fā)完成，新一代的碳紙?zhí)疾坚槍θ剂想姵氐倪\(yùn)作特性進(jìn)行客制化設(shè)計(jì)，可適用于干式或加濕設(shè)計(jì)，使燃料電池性能得以優(yōu)化。

上海碳際實(shí)業(yè)

上海碳際實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司（以下簡稱“上海碳際”）是一家定位做氫能與燃料電池上游關(guān)鍵材料——?dú)怏w擴(kuò)散層和高性能碳材料的硬科技企業(yè)。公司目前聚焦于燃料電池和制氫電池用的炭紙和氣體擴(kuò)散層技術(shù)和產(chǎn)品，旨在打破國外廠商壟斷，助力中國氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)擺脫“卡脖子”之風(fēng)險(xiǎn)。

今年，上海碳際完成千萬級A+輪融資，本次融資資金將用于加大產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)投入、加快原紙合資工廠建設(shè)、持續(xù)提升產(chǎn)品質(zhì)量和市場服務(wù)能力。