碳紙基氣體擴散層性能優化研究進展

作者簡介：司依潔，在讀碩士研究生；主要從事紙基功能材料等方面的研究。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池；氣體擴散層；碳紙；微孔層；催化劑層中圖分類號：TS76 文獻標識碼：A DOI： 10.11980/j.issn.0254-508X.2025.07.008

Abstract：Protonexchangemembranefuelcells（EMFCs）haveatractedmuchatentionduetotheiradvantagesofhigheficiencylow noise，andno-plutingpropertyHwever，terearestillanyproblemsthatdtobesolvedurgentlysuchastheomplexwateran agementsystem，weakmediumtransportcapabilityshortservicelifetime，porstability，andhighcatalystcost.Optimizingthepefor manceofthecarbopaperbasedgasdifusionlaer（DL）hasbecomethekeytoimprove theefciencyandservicelifetieoffuelcels. Inthispaper，eentresearchprogressoncarbonpaper-basedGDLwasreviewed，overingewGDpreparationprocesses witlasepefo rtionandpateingdsigs，arbonpapermodificationwithgapeneandnanofiberstoeancemehanicaltrength，electricalcoductiity，voiduniforityndgaddporousstructures，andimprovementsinwatermanagementandasstransferpeformancewitheflonhy drophobic agent，with the aim of providing a reference for the future development of PEMFCs.

Key words：PEMFC；gas diffusion layer; carbon paper; micro-porous layer; catalyst layer

能源短缺和環境污染是當前人類社會急需解決的重要問題。與其他燃料電池相比，以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池（protonexchange membrane fuelcell，PEMFC）具有轉換效率高、啟動速度快、工作溫度低、能量密度高以及使用壽命長等優點。因此，PEMFC在推動全球可持續能源發展和環境保護方面具有至關重要的戰略意義[。

PEMFC主要由氣體擴散層（gasdiffusion layer，GDL）、催化劑層（catalystlayer，CL）、質子交換膜（protonexchangemembrane，PEM）、雙極板等組成。

圖1為PEMFC組件示意圖。如圖1所示，當PEMFC工作時， H₂ 經正極中的催化劑催化，分解成電子和H⁺ ，其中 H⁺ 通過質子交換膜到達負極和 O₂ 反應生成水和熱量，而電子從正極通過外電路流向負極產生電能4]。氣體擴散層由基底層（gasdiffusion barrier，

圖1 PEMFC組件示意圖[4]

Fig.1Schematic diagram of PEMFC components[4]

GDB）和微孔層（micro-porouslayer，MPL）組成，GDB主要是由多孔的碳纖維紙或碳纖維布構成，為反應氣體和水提供輸送通道，同時將生成的水從催化劑層排出。MPL通常由碳粉和疏水劑（如聚四氟乙烯）組成，影響著氣體擴散層的孔徑分布、氣體和水的滲透性、電導率等性質。催化劑層由氣體擴散層支撐碳基體上的鉑納米顆粒組成，通過催化 H₂ 和 O₂ 反應生成水，并驅動電子通過外部電路形成電流。質子交換膜以全氟磺酸膜為主，由全氟磺酸聚合物構成，起到傳導質子、隔絕氣體和反應物質的作用。

盡管PEMFC具有許多優點，但其在商業化過程中仍面臨諸多挑戰。根據調研，目前商業化的燃料電池生產商大多采用日本東麗（Toray）、德國西格里（SGL）、德國科德寶（Freudenberg）和美國Avcarb等廠商的氣體擴散層產品，而國內只有少數企業涉足氣體擴散層產品的研發，并且大多處在小批樣試產的狀態5。若要降低燃料電池成本，國產化突圍是必然的選項，因此對PEMFC中關鍵組分的研究是提高燃料電池性能和商業化量產的重點項目。最新的相關研究集中在氣體擴散層、催化劑層等PEMFC組件的材料和設計上，以提高PEMFC各方面性能。

1氣體擴散層

氣體擴散層位于集流雙極板和催化劑層之間，在PEMFC中扮演著重要角色，不但提供了氣相反應物和液相水的傳輸通道，還提供了電子和熱量的傳導通道。因此，氣體擴散層需具有多孔均質結構、透氣性能好，機械強度高、柔韌性好、適當的親水/疏水平衡，防止過多的水分阻塞孔隙而導致氣體透過性能下降等多重性能。

1.1 新型氣體擴散層的制備

傳統的氣體擴散層是由經全氟疏水劑處理的碳紙制作而成，但其強度不高，容易折斷。為此，Tang等以石墨烯作導電材料，纖維素纖維作3D骨架，表面改性聚丙烯纖維作功能添加劑，開發了一種具有大體積疏水性、高導電性和高機械強度的復合紙。結果表明，所制復合紙具有高拉伸強度（ 22MPa ，并由其組裝的電池在0.6V下實現了 1.25A/cm² 的電流密度和 0.746W/cm² 的高功率密度。此外，該復合紙的大體積疏水性避免了傳統疏水處理（如聚四氟乙烯涂層）可能帶來的導電性降低問題。

生成物水在氣體擴散層積累會影響PEMFC的性能，如降低氣體傳輸效率、導致電池性能下降。為此，Calili-Cankir等首先將未經處理的商用GDL放在 90°C 的熱操作臺上，用不銹鋼面罩遮蔽制造了不同圖案化（三角形、菱形和倒三角形）的GDL；然后用質量分數 2.5% 聚四氟乙烯（polytetrafluoro-ethylene，PTFE）溶液處理未遮蔽的區域，并在 380^°C 的空氣中燒結^1h ，以融化PTFE；最后冷卻至室溫。結果表明，在相對濕度 100% 和電池溫度 80°C 的條件下，與均勻處理的氣體擴散層相比，所有圖案化的氣體擴散層均提高了PEMFC性能，尤其是在高電流密度區域（gt;0.8A/cm² ）。這種圖案化設計通過優化水和氣體的傳輸路徑，減少了水的滯留和堵塞現象，從而提升了燃料電池的整體性能。

Lin等采用未經任何PTFE處理的商用碳纖維（carbonfiber，CF）紙作激光穿孔的基材，開發了一種具有四邊形穿孔的新型GDL，以提高PEMFC的排水能力。該GDL寬度為 100μm ，長度為 1000μm ，穿孔之間的間距為 500μm ，用質量分數 5% PTFE分散體涂覆后，在 50°C 下熱處理，并進一步應用于PEMFC。結果表明，當穿孔與流道垂直排列時，PEMFC可實現1.43W/cm² 的峰值功率密度和 5400mA/cm² 的電流密度。

1.2氣體擴散層氣液傳輸性能調控

氣體擴散層的氣液傳輸性能主要體現在氣體的傳輸和液態水的排出能力上。對于氣體傳輸，要求GDL具有良好的透氣性，能夠讓反應氣體（ H₂ 和 O₂ ）快速地從流場通道擴散到催化劑層。在液體傳輸上，氣體擴散層要能夠讓液態水順利排出，避免“水淹”現象。此外，氣體擴散層的氣液傳輸性能受其孔隙率、厚度、PTFE含量及疏水性等多種因素的影響。

為了深入研究液態水傳輸機制，Liu等通過二維數字隨機模型結合流體體積法，探究了極化對氣體擴散層內液態水流的影響。結果表明，由于表面張力的作用，液態水以球形液滴的形式分布在氣體擴散層纖維之間。相比之下，極化力對水滴的形態無明顯影響。在大多數區域，液態水所受的極化力約為重力的0.1～10 倍。然而，對比液態水的內部壓力時發現，極化力能使液態水在極低的內部壓力下滲透并通過氣體擴散層（圖2）。

氣體擴散層的厚度會影響電池內 H₂ 和 O₂ 的傳輸和分布，從而影響PEMFC的性能。 Zhu 等利用三維兩相非等溫模型，研究了陰極氣體擴散層厚度（50、100、200和 400μm ）對其穩態性能和瞬態響應特性的影響。結果表明，在穩態條件下，極薄的陰極氣體擴散層會導致 O₂ 和液態水分布不均勻，而過厚的陰極氣體擴散層則會增加 O₂ 傳輸阻力。當負載電壓突然下降時，陰極催化劑層局部 O₂ 濃度過高會產生電流過沖現象，而較薄的陰極氣體擴散層會削弱過沖現象，并縮短電流密度的恢復時間。高液態水飽和度會導致陰極催化劑層局部氧濃度過低，當負載電壓突然增加時，會發生電流下沖現象，而較薄的陰極氣體擴散層會增強下沖現象，但這也會縮短電流密度的恢復時間。因此，選定的最佳陰極氣體擴散層厚度為 100μm

圖2液態水穿透氣GDL的過程

Fig.2Penetration process of liquid water through GDL[9]

孔隙結構與疏水性的綜合設計可以進一步優化氣體擴散層排水能力。Lai等設計了面內和面外方向上2種不均勻的PTFE分布形式，采用三維多松弛時間D3Q19、贗勢多組分多相和格子玻爾茲曼方法，對具有梯度孔隙率和梯度潤濕性分布的耦合氣體擴散層和微孔層系統中的液態水動態行為進行了探究。結果表明，由梯度分布孔隙率引起的孔隙結構集水效應，促使液態水在孔隙相對較大的層中積聚；而由梯度分布潤濕性引起的親水集水效應，則驅動液態水向相對親水層移動，并積聚在該層中。對于面內分布潤濕性，通過將孔隙率相對較大的層設置為相對親水層，實現了孔隙結構與親水集水效應的協同作用，進而增強了液態水的濃縮效應和排水速率。對于面外分布潤濕性，通過增加氣體擴散層中靠近微孔層和氣體擴散層界面區域的疏水性，可以顯著降低微孔層和氣體擴散層界面處的液態水含量。

氣體擴散層的孔隙率直接影響氣體和液態水的性能。為獲得較高的孔隙率，Jing等2以孔隙率的分布方式（均勻分布、交替分布、線性分布、階梯分布和正弦分布）為研究對象，通過數值模擬的方法，對比研究5種分布方式對具有蛇形流道的PEMFC的傳質性能的影響。結果表明，當GDL的孔隙率為0.6且呈均勻分布時，可在使壓降最小化的同時，全面提高PEMFC的功率密度。由于對氣體擴散層微觀區域的累積效應，具有正斜率的線性孔隙率分布（沿流道方向）的功率密度和電流密度優于交替分布。

于瑞佼等[3建立三維全電池結塊模型，模擬計算沿不同方向階梯型變化孔隙率對PEMFC性能的影響（圖3），并且計算不同電壓下對應的最佳孔隙率值。結果表明，增大孔隙率可明顯提升濃差極化區PEMFC性能，但會降低歐姆極化區性能。沿流道方向，孔隙率的增加可以改善PEMFC性能，但是孔隙率變化幅度不宜過大。不同電壓下，最大電流密度對應的孔隙率不同，且隨著電壓的增加，孔隙率先降低后升高，在0.2V時電流密度最高可提升 5.28% 。

以上文獻通過優化氣體擴散層的孔隙率、厚度、PTFE含量及疏水性等參數，顯著提升了PEMFC的整體性能。同時，結合先進的數值模擬方法和實驗手段，深入研究了氣體擴散層內部的微觀傳輸機制，這將為PEMFC的性能優化提供更有利的支持。

2碳紙

碳紙常以短切碳纖維為主要材料，是經濕法造紙成形技術制得前驅體后，再經過樹脂浸漬、熱壓、碳化等工藝制作而成[14。由于碳紙具有工藝成熟、性能穩定的優點，現已成為GDL多孔基材。不同種類GDL多孔基材均需具備水滲透性、合適孔徑范圍、低電阻率和機械強度等多重性能。然而，由于碳纖維表面光滑且含少量官能團，使碳纖維在濕法抄紙時易發生絮聚，這導致原紙出現孔隙率低和導電性差等問題，繼而影響碳紙的性能[15]。

2.1 新型碳紙制備

陳亞波等以水溶性酚醛樹脂作碳紙的前驅體，氧化石墨烯（grapheneoxide，GO）作功能性填料，制得高性能碳紙。結果表明，隨著GO含量的增加，水溶性酚醛樹脂的殘碳率從 57.36% 提升至 66.23% 表明GO的加入提高了樹脂的熱穩定性和碳化程度。熱穩定性分析結果表明，GO與碳纖維之間的界面結合得到了明顯改善。此外，隨著樹脂質量分數和GO含量的增加，碳紙的導電性能和力學性能顯著增強。當樹脂質量分數為 30% 、GO含量為 0.6% 時，碳紙物理性能最佳，其中抗拉強度為 25.56MPa ，孔隙率為65.27% ，面電阻率為 1.365Ω/cm² 。

Tang等通過在酚醛樹脂（phenol formaldehyderesin，PF）的最佳質量分數下，混合不同長度的短切碳纖維（6和 ）來改善碳紙的整體性能。結果表明，長度較大的碳纖維可以增加碳紙的孔隙率、導電性、透氣性和機械性能。具體而言，當長碳纖維含量為 40% 、浸漬液質量分數為 10% 時，碳紙在相對濕度60% 的條件下，具有 1182.61mW/cm² 的峰值功率密度，并且其在 2A/cm² 的電流密度和相對濕度 60% 的條件下，具有較低的傳質阻力（ 32.17mΩ/cm² 。

圖3三維全電池結塊模型計算域[13]

Fig.3Model computation domain[13]

為解決PEMFC所用多孔碳紙中存在的由碳腐蝕引起的耐久性問題，Zhang等采用熔鹽法，在多孔碳紙上制備了 Cr₇C₃ 陶瓷涂層，并通過酸浸加速腐蝕實驗和電化學腐蝕實驗評價其耐腐蝕性能。結果表明，在 70^°C 、 1.4V_scE 、 1mol/LH₂SO₄ 與 1.42mol/LHF 下進行 72h 的恒電位極化測試中，涂有 Cr₇C₃ 涂層的碳紙顯示出 1.1×10^-5A/cm² 的電流密度，且其電阻率比純碳紙低 30% 。

2.2 碳紙改性

為得到高性能的碳紙，需要對其進行改性處理，常采用向內部加入一些改性物質的方法。Wen等[19]將羧基化纖維素納米纖維（cellulosenanofiber，CNF）與甲基丙烯酸甲酯進行接枝，獲得羧基化納米纖維接枝聚甲基丙烯酸甲酯（CNFM），并將其作為PF的改性增強劑和成孔劑；然后，通過改性PF對碳紙原紙進行浸漬、熱壓和碳化，制得改性碳紙（圖4）。結果表明，相比碳紙原紙，改性碳紙的面電阻率降低了35.8% ，連通孔隙率增加至 82.26% ，孔隙分布更均勻，孔徑分布范圍為 20～40μm ，且拉伸強度、彎曲強度、透氣度和峰值功率相比改性前分別提高了 72.8% 、298.4% 、 104.0% 和 11.0% ，實現了碳紙綜合性能的全面提升。

劉霖2采用高導電性的金屬納米鎳球和二維MXene納米片對碳紙進行改性，考察了改性后碳紙的性能。具體方法如下：在碳紙上原位生長出均勻的氫氧化鎳，進而還原成更多的金屬鎳單質，形成鎳球，然后以聚多巴胺（PDA）為媒介，吸附更多MXene與其形成螯合作用，最后在碳紙上涂覆一層全氟辛基三乙基氧基硅烷（PFOTS）疏水層。結果表明，與商業碳紙相比，改性后的碳紙電導率提高到 9.901S/cm 接觸角為 159.6^° ，拉伸強度為 11.49MPa ，分別提高了 108% 、 31% 以及 44% 。此外，金屬納米鎳球增加了碳纖維表面的粗糙度，經PFOTS疏水層涂覆后，疏水性明顯提高，同時防止了MXene在界面處的氧化，增強了碳紙的穩定性。

Wen等2通過芳綸納米纖維（aramid nanofiber，ANF）改性PF，研究了ANF在碳纖維中的添加量（0、 0.6% 、 1.2% 、 1.8% 、 2.4% ）對PF浸漬液中ANF分散性、PF熱穩定性和PF碳基體結構的影響。結果表明，ANF改性后的PF碳基體結構更規則， I_p/I_G 值從2.16下降到2.02。此外，當ANF添加量增加到1.8% 時，碳紙的拉伸強度、彎曲強度、孔隙率和透氣性達到最佳值，分別為 14.28MPa 、 531.61MPa 、85.94% 和 2520L/（m²?s） 。

Meng等[22]首先利用鹽酸多巴胺（dopaminehydro-chloride，DPH）合成PDA，并用PDA修飾碳纖維表面的官能團獲得改性碳纖維，隨后利用改性碳纖維，并通過濕法成形、浸漬并熱壓、碳化工藝，相繼制備了碳紙原紙、熱壓碳紙和碳紙（圖5）。結果表明，ΔOH^- 和一 NH₂ 基團的引入，提高了PDA修飾的碳纖維的親水性和分散性，導致碳紙原紙的形成指數（FI）從39.2增加到48.1。隨著DPH質量分數的增加，碳紙的拉伸強度先增加后降低，而電阻率呈相反趨勢。由DPH添加量 2.5% 制得碳紙組裝的PEMFC，具有1440.0mA/cm² 的最大極限電流密度和 458.25mW/cm² 的功率密度。

圖4使用CNFM改性的PF制備CP以組裝成PEMFC的示意圖[19]

Fig.4Schematic diagram of using CNFM-modified PF to prepare CP for assembly into PEMFC[19]

上述研究主要集中在復合材料設計、表面改性技術等手段，進一步提升了碳紙的綜合性能，但未達到同時具備高導電性和均勻孔隙的要求。添加增強纖維雖然提高了機械強度，但可能導致碳纖維表面光滑、分散性能差，影響孔隙率。

3微孔層

微孔層是氣體擴散層的核心組件，在氣體傳輸和水管理方面發揮著至關重要的作用。近年來，人們在微孔層的制備材料、制備方法及其物理特性等方面進行了重點研究[23]

3.1新型微孔層制備

微孔層通常是由炭黑（carbonblack，CB）和疏水劑PTFE物理混合后，在高溫下退火制成。然而，該方法所制的微孔層容易出現孔道堵塞和炭黑聚集等問題。為了解決這些問題，Guo等4采用硬模板法，利用二氧化硅制備具有單孔的均勻多孔碳（uniformporouscarbon，UPC）和分級多孔碳（hierarchicalporouscarbon，HPC），并用疏水性氟烷基硅烷進行化學接枝。結果表明，與用HPC制備的微孔層（輸出功率密度 781.20mW/cm² ）相比，改進的微孔層具有卓越的排水能力和高效的氣體輸送能力，輸出功率密度達到 809.64mW/cm² ，顯著優于UPC制備的微孔層0 714.38～749.89mW/cm² 。

Gao等[25提出了一種新型全氟聚合物材料特氟龍作疏水劑用于制造微孔層的方法，首先將特氟龍粉末在室溫下通過超聲波混合 ^4h 以上，溶解到C5-18-全氟烷溶劑中，然后依次將碳粉、特氟龍溶液混合制備成MPL。結果表明，采用該方法制備的微孔層在高濕度和高背壓條件下，電池的水淹現象明顯減少，表現出更好的氣體傳輸性能。

圖5PDA修飾的CF用于制備CP示意圖[22]

Fig.5Schematic diagram of using PDA modified CF to prepare CP^[22]

Song等2通過涂覆不同長徑比的碳納米管（car-bonnanotube，CNT），設計了分級多孔結構微孔層（圖6）。在構建CNT網絡結構的過程中，利用聚偏二氟乙烯（polyvinylidenedifluoride，PVDF）/N-甲基吡咯烷酮的黏合劑/溶劑體系，通過分散和結合的綜合方法，有效減輕了因CNT團聚而引起的微孔層結構和性能缺陷的問題。結果表明，在最佳微孔層結構下，所制PEMFC在0.2V下的最佳電流密度可達 1913.8mA/cm² O用PVDF所制GDL的峰值功率密度為 831.8mW/cm² 比未添加PVDF所制GDL高 15.74% ，并且傳質電阻最低為 23.71mΩ ，充分表明該材料能夠在CL/MPL界面處排出多余的水分，避免溢流現象的發生。

3.2 微孔層改性研究

為了進一步研究微孔層結構和傳質性能之間的關系，Song等2調節科琴黑和CNT配比，制備了具有不同形態和結構的微孔層。結果表明，隨著微孔層中CNT含量的增加，電池功率密度呈現雙峰形狀，這一現象驗證了MPL中 5～10μm 的穿孔裂縫為水和氣體傳輸提供分離通道的推測。由電化學阻抗譜圖可知，在相對濕度 100% 和電流密度 3A/cm² 的條件下，科琴黑和CNT配比分別是 1：4 和 4：1 制得的MPL，其組裝成電池測試的阻抗分別為109.35和63.55mΩ/cm² ，峰值功率密度分別增加到2.321和2.117W/cm² 。

Wang等28設計了一種具有分級孔隙結構的微孔層，通過控制微孔層漿料中造孔劑的含量，構建具有均勻孔隙的常規微孔層，然后利用分層涂覆和燒結的方式，形成具有有序梯度孔隙分布結構的微孔層。結果表明，這種梯度結構提供的毛細管驅動力可以有效提高陰極水管理能力，從而提高了PEMFC的傳質能力，并且在相對濕度 100% 下，具有 2.28W/cm² 的最高輸出性能。這種設計的核心優勢在于，梯度孔隙結構可以促進氣液兩相的分離傳輸，從而優化電池內部的水管理。

Mehrazi等2]分別以 5% 、 20% 和 50% 的添加量，將2種高長徑比添加劑多壁碳納米管（multi-walledcarbon nanotubes，MWCNT）和石墨烯納米片（graphenenanosheets，GNS）與乙炔黑碳混合，系統地研究其對微孔層性能的影響。結果表明，MWCNT和GNS制備的微孔層，均呈現出較松散的微觀結構，這可能是因為較大的比表面積和較少的團聚現象一定程度上促進了物質的傳輸和擴散。此外，添加 20% MWCNT和GNS與單獨添加 5% MWCNT的樣品，在干濕條件下均具有更高的性能，由于MPL的導電性、導熱性和水傳輸能力增強，添加 20% MWCNT和GNS樣品的歐姆過電位和質量傳輸過電位均有所降低，而單獨添加 5% MWCNT樣品的性能改善僅限于高電流密度。

盡管當前的研究已經取得了顯著進展，但如何進一步降低微孔層與催化劑層之間的接觸電阻、提高微孔層在高電流密度和高相對濕度條件下的傳質效率，以及增強二者的耐久性，仍是未來需要深入研究的重點方向。

4催化劑材料改性

目前，鉑基（Pt）催化劑是PEMFC中常用的催化劑，其對氧還原反應（oxidationreductionreaction，ORR）顯示出良好的電催化活性，但Pt資源有限，且容易發生奧斯瓦爾德熟化現象，導致催化劑顆粒團聚和溶出。當前我國催化劑的研發偏重于基礎研究，其在整體性能和規模化生產上與國外企業差距較大。因此，通過對催化劑材料進行改性，以提高其活性、穩定性和耐久性，從而提高PEMFC的功率密度是關鍵。

圖6分級多孔結構的MPL[26]

Fig.6Hierarchical porous structure of MPL [26]

催化劑層內的高傳質阻力是限制PEMFC性能和低Pt負載量的主要因素之一。為了解決這個問題，Sun等3設計了一種新型部分有序麟酸化離聚物（PIM-P）作為催化劑黏合劑，其具有固有微孔結構和質子傳導功能，可以改善電極的傳質性能（圖7）。結果表明，合成的離聚體在催化劑中表現出良好的分散性、結構穩定性、孔穩定性。PIM-P的膜電極（membrance electrode assembly，MEA）表現出較低的傳質阻力，峰值功率密度達到506.6mW/cm² 。

Akula等31使用MWCNT和沸石咪唑酯骨架（zeo-liticimidazolateframeworks，ZIF）所制的復合材料浸漬雙過渡金屬（ FeMn 、FeCo和 CoMn ，并評估其ORR電催化活性和PEMFC性能。旋轉環盤電極法測定結果顯示，催化劑具有高ORR電催化活性和選擇性。在加速耐久性測試下，PEMFC有著顯著的電化學穩定性和高峰值功率密度 787mW/cm² 。

金屬-有機框架（metalorganic framework，MOF）是一類有前景的晶體材料，但其窄孔加劇了催化劑層內的傳質阻力。Li等2開發了一種通過螯合輔助選擇性刻蝕在MOF中構建開孔結構的方法，從而得到固定在氮、硫共摻雜碳骨架上的原子級分散的鐵原子。結果表明，這種開孔結構降低了MEA中的 O₂ 傳輸阻力，使其具有顯著的ORR電催化活性和穩定性。在酸性電解液中，研究所制催化劑相對于可逆氫電極（reversiblehydrogenelectrode，RHE）的半波電位為 0.89V ，比 Pt/C 高出 20mV ，并且在MEA中，當無內阻電壓為 0.9V 時，電流密度達到29mA/cm² 。

目前，石墨烯基碳材料已成為取代現有炭黑載體的潛在解決方案。Pavko等[33提出了一種在石墨烯衍生物載體上合成Pt基電催化劑的方法，即采用聚碳酸酯（polycarbonate，PC）合成并結合電偶置換雙鈍化方法制備了2組電催化劑，一組基于 Pt-Cu ，另一組基于Pt-Co金屬間化合物催化劑。結果表明，通過創新的方法，在石墨烯衍生物上實現了高度均勻和高金屬負載量（高達 60% ）的Pt合金金屬間催化劑。加速降解實驗表明，與炭黑負載的類似物（包括商業催化劑）相比，該催化劑耐久性得到了增強。

盡管非貴金屬催化劑在降低成本方面具有潛力，但其活性和穩定性不如Pt基催化劑。并且，目前研究缺乏原位表征技術，無法實時監測催化劑層內的真實結構和界面過程，進而限制了對催化劑在實際運行中的性能變化和降解機制的深入理解。

圖7PEMFC內離聚物的設計思路[30]

Fig.7Design ideas of ionomers in PEMFC[30]

5結語

本文介紹了質子交換膜燃料電池（PEMFC）性能優化的研究進展，主要集中在氣體擴散層（GDL）、碳紙和微孔層的結構與材料改性與催化劑材料改性。具體而言，激光穿孔、梯度孔隙率等設計可提升氣液傳輸效率，如四邊形穿孔GDL功率密度達 1.43W/cm² 氧化石墨烯、納米鎳球等對碳紙改性使抗拉強度高達25.56MPa ，電導率較商業碳紙提升 108% ；分級結構與特氟龍應用使得功率密度提升至 2.321W/cm² ，傳質阻力降低至 23.71mΩ ；非貴金屬催化劑（如ZIF衍生材料）半波電位達 0.89V ，接近鉑基催化劑水平。

PEMFC在性能上的優化可以從以下2個方面進一步完善和發展： ① 設計高效的氣體擴散層、碳紙和微孔層結構，以增強傳質能力、降低過電位并提高整體系統性能； ② 探索和研發高性能的非貴金屬催化劑，進一步開發新型的氣體擴散層材料，提高質子傳導率、穩定性和機械強度。

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（責任編輯：魏琳珊）