如何加强对氢能的利用成为各国科技竞争的热点，其中，质子交换膜燃料电池作为以氢气为能源的能源转换装置，具有高效、环境友好、工作条件温和等优势，备受关注。
质子交换膜燃料电池快速发展，但仍面临气体传质和水管理薄弱的问题，导致体积比功率较低。如何能在节约成本的情况下，进一步提升电池性能?
9月25日，记者从中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所获悉，该所周小春研究员团队利用激光雕刻技术，以东丽碳纸为基材，设计制备了具有波形流道和微通道脊的新型一体化GDL(气体扩散层)。其具有丰富的多孔结构，具备优异的气体传质和水管理能力，可提升燃料电池的性能。近日，该成果论文发表在国际期刊《科学进展》上。
提升燃料电池性能难在哪
质子交换膜燃料电池即氢燃料电池，由流场板、气体扩散层、微孔层、催化层、质子交换膜等组件构成，可用于电动汽车、电动自行车、电动三轮车等交通工具以及小型发电站等。
气体扩散层位于流场板和催化层之间，在燃料电池中起着导电、支撑膜电极、传质、水管理的作用。在质子交换膜燃料电池工作中，反应气体经气体扩散层传递到催化层，催化层生成的水经由气体扩散层排出。而反应气体的传质和水的排出直接影响着膜电极性能，较差的气体传质和水管理能力都会导致膜电极性能的降低。
为解决传质和水管理薄弱的难题，科学家曾通过改变流场板的流道结构，或者采用金属泡沫、石墨烯泡沫取代传统流场板等方法，来提高质子交换膜燃料电池的传质能力，提升燃料电池性能。
然而，金属泡沫以及石墨烯泡沫这种无流场结构在高电流密度下仍会存在传质和水管理问题，进而影响燃料电池的性能。因此，迫切需要新的方法解决这一难题。
新型一体化GDL“合二为一”
目前，气体扩散层通常由基底层和微孔层构成，其中构成基底层的材料一般是碳纸、碳布等。
周小春团队经过多年积累，从燃料电池结构入手，经过不断调试和优化，最终以碳纸为基材，利用激光雕刻的方法在碳纸上制备出了流场结构，从而得到新型一体化GDL。这种新型一体化GDL将传统质子交换膜燃料电池中的流场板和气体扩散层的功能合二为一，能有效解决传统燃料电池传质和水管理薄弱的问题。
团队成员、论文第一作者何灿介绍，与传统燃料电池相比，新型一体化GDL具有3个显著优点：一是它简化了燃料电池的结构，将气体扩散层和流场板合为一体，使得GDL一个部件兼具两种功能，降低了生产成本;二是具有较宽的湿度耐受性，应用范围更广;三是新型一体化GDL具有波形流道和微通道脊的特殊结构，电池性能更高，它能在低倍压的情况下达到甚至超过原先燃料电池在高倍压下的性能，有望降低燃料电池系统空气压缩机的能耗，从而提升燃料电池汽车的续航里程。
未来，团队希望能继续在一体化GDL领域进行深入研究，并将其广泛应用于质子交换膜燃料电池和其他能量转换器件中。
(责任编辑：范晓婷)
