超薄亲疏水路径集成气体扩散层提升质子交换膜燃料电池水管理性能

为解决质子交换膜燃料电池(PEMFCs)高湿度工况下的水淹问题，中国科学院团队创新设计了一种集成亲水(ZrO2 纤维)与疏水(PTFE)网络的超薄气体扩散层(GDL)。通过湿法造纸工艺制备的150μm碳纤维纸(CFP)实现了水/气定向传输，峰值功率密度达商用GDL的1.95倍，极限电流密度在0.25V时突破4A/cm2 ，为简化GDL结构提供新范式。

　　

在碳中和背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因其零排放特性成为新能源研究热点。然而这个"氢能心脏"却长期被高湿度环境下的"水淹综合征"困扰——阴极过量生成的液态水堵塞气体扩散层(GDL)的孔隙，如同给燃料电池戴上了"窒息面具"。传统解决方案是在碳纤维纸(CFP)上叠加微孔层(MPL)，但这种"三明治"结构不仅制造复杂，还会因MPL开裂、颗粒渗透等问题形成新的传质壁垒。更棘手的是，完全疏水的GDL虽能防积水却会导致质子交换膜(PEM)脱水，这种"旱涝两难"的困局严重制约着PEMFCs的高功率输出。

中国石化集团联合团队另辟蹊径，从造纸工艺中获取灵感，开发出仅150μm厚的"智能水路"GDL。研究人员在湿法造纸阶段直接混入亲水"引水员"ZrO₂
纤维，再通过PTFE浸渍构建疏水"高速公路"，形成类似"河道与陆路"并行的分级结构。这种设计巧妙规避了传统MPL的缺陷，ZrO₂
纤维的耐高温特性（可承受2200°C）更是完美匹配CFP石墨化处理的极端工艺条件。

关键技术方法
研究采用湿法造纸工艺制备超薄CFP基底，通过原位引入ZrO₂
纤维构建亲水网络，PTFE溶液浸渍形成疏水区域。使用扫描电镜(SEM)表征微观结构，通过燃料电池测试系统评估性能，对比商用GDL(190μm)和纯疏水GDL(CPZ-0)验证优势。

微观结构特征
SEM显示CPZ-12样品中ZrO₂
纤维均匀分布在碳纤维骨架间，形成直径5-10μm的连续亲水通道（图1c）。接触角测试证实材料具有143°的疏水背景与局部亲水特性，这种"荷叶效应"与"树根吸水"的协同作用，比纯疏水GDL(CPZ-0)的水传输速率提升3倍。

电化学性能突破
在90%RH苛刻条件下，CPZ-12的峰值功率密度达到1.25W/cm²
，较商用GDL提升95%。更惊人的是0.25V电压下的极限电流密度飙升至4A/cm²
，这意味着每平方厘米的电极每秒可通过4库仑电荷——相当于给智能手机电池充电速率的40倍。电化学阻抗谱揭示其传质电阻降低62%，证实超薄结构有效缩短了氧扩散路径。

水管理机制
同步辐射成像显示，亲水区如同"海绵"快速吸收反应生成水，通过纤维间毛细作用定向排出；而保留的疏水孔隙则像"通风井"持续输送氧气。这种"雨污分流"式设计，使得在高电流密度(>2.5A/cm²
)时，CPZ-12的水饱和度始终控制在35%以下，而对比组商用GDL已超过60%。

这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，颠覆了传统GDL必须依赖MPL的设计教条。其创新价值不仅在于性能提升，更开创了"单层多功能"GDL的新范式——就像在邮票大小的面积上，同时修建了供水和输气两套管网。研究团队特别指出，ZrO₂
纤维的引入为陶瓷材料在燃料电池中的应用开辟了新思路，而150μm的极致厚度则为燃料电池堆的紧凑化设计提供了可能。未来通过调控ZrO₂
纤维的占比与排布方式，还可实现更精准的水路调控，这项技术有望成为突破PEMFCs功率密度天花板的关键钥匙。