Page 134 - 《精细化工）》2023年第10期

·2212· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 40 卷

理，并涂覆微孔层以制备基底层亲疏水交替 GDL 和 亲水区几乎不含 PTFE，表现出亲水性，疏水区 PTFE
基底层无差别疏水 GDL。为了满足单电池装配需 含量较高，表现出疏水性。当电流密度较小时，因
求，使位于燃料电池双极板脊下的 GDL 基底层为亲 电化学反应产生的水分不多，GDL 不存在水淹的风
水区，位于双极板流道下方的 GDL 基底层为疏水 险，阴极氧气供应正常，此时 GDL 基底层亲水区可
区，该部分对碳纸做亲疏水交替处理时，所设计的 以囤积一部分水以供 PEM 的润湿，从而提高质子传
模具与单电池测试的双极板的脊和流道一一对应。 导率，使发电效率提高。当电流密度较大时，因电
双极板流道的设计图纸、双极板实物图、用于制备 化学反应产生的水分急剧增加，若采用传统的基底
亲疏水交替碳纸所用的模具、采用该模具制备的与 层无差别疏水的 GDL，会造成液态水在 GDL 的大
双极板脊和流道存在一一对应关系的亲疏水交替碳 量囤积，从而阻碍了氧传输通道，降低氧扩散效率。
纸如图 5 所示。采用该模具制备的亲疏水交替碳纸 与基底层无差别疏水的 GDL 不同，基底层亲疏水交
及其对应的 GDL，在做单电池性能测试时，可以使 替处理的 GDL，其基底层由亲水区域和疏水区域两
与双极板脊接触的碳纸为亲水性碳纸，而与双极板 部分组成，多余的液态水会从疏水区域转移至亲水
流道接触的碳纸为疏水性碳纸。 区域，从而使 GDL 疏水区域的水分始终保持在一个
相对较低的水平，避免该区域发生水淹现象，从而
提高该区域氧扩散效率，降低传质极化，电池性能
也随之提升。此外，基底层亲疏水交替处理的 GDL，
其基底层由亲水区和疏水区两部分组成，亲水区与
双极板的脊一一对应，是连接催化层与双极板的“桥
梁”，具有收集催化层的电子，并传输至双极板的作
用。由于基底层亲疏水交替处理的 GDL，其亲水区
域几乎不含 PTFE，因此导电性更好，从而减小了传
输电子过程中的能量损耗，使得欧姆极化降低，电
池性能提高。

图 5 双极板流道设计图纸（a）、双极板实物图（b）、制
备亲疏水交替碳纸的模具（c）及对应的亲疏水交
替碳纸（d）
Fig. 5 Design drawing of bipolar plate (a), physical drawing
of bipolar plate (b), mold of preparing hydrophilic
and hydrophobic alternating carbon paper and
corresponding hydrophilic (c) and hydrophobic
alternating carbon paper (d) 图 6 亲疏水交替 GDL 与无差别疏水 GDL 的单电池性能
Fig. 6 Single-cell performance of alternating hydrophilic
采用亲疏水交替 GDL 和无差别疏水 GDL 装配 and hydrophobic GDL and indifferent hydrophobic
单电池，并测定其性能，结果如图 6 所示。从图 6 GDL

可以看出，采用基底层亲疏水交替处理的 GDL 制备
的单电池性能更好，其电压及功率密度的上限均向 3 结论
2
着更高的电流密度区间移动。在 2 A/cm 电流密度
下，采用基底层亲疏水交替处理的 GDL 制备的单电 采用 PTFE 乳液对碳纸进行浸渍后，通过模具
2
池，其电压为 0.47 V，功率密度为 948 mW/cm ；而 夹持，并在一定压力下进行干燥，获得了亲疏水交
采用基底层无差别疏水处理的 GDL 制备的单电池， 替的碳纸，通过微孔层涂敷工艺制备了基底层亲疏
2
其电压为 0.44 V，功率密度为 884 mW/cm 。与采用 水交替的 GDL，通过分析外观形貌、SEM、EDS、
无差别疏水处理的 GDL 制备的单电池性能相比，前 接触角、TP 电阻率、TP 透气率及单电池性能，得
者的电压和功率密度分别提高了 6.82%和 7.24%。 出如下结论：
对于基底层亲疏水交替处理的 GDL，其基底层 （1）碳纸经过亲疏水交替处理后，形成明暗相