激光诱导气体扩散非织造碳纸表面氟聚合物选择性去除及其对燃料电池性能的增强机制

本研究针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)中气体扩散层(GDL)接触电阻过高的问题，创新性采用CO2激光烧蚀技术选择性去除碳纸(GDNCP)表面绝缘性PTFE层。通过参数优化实现接触电阻降低38%（6.74 mΩ cm2），在50%和100%湿度条件下电流密度分别提升61%和36%，为GDL改性提供了非破坏性解决方案。

　　

在追求碳中和的全球背景下，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其零排放特性成为能源转型的关键技术。然而这种电化学装置的实际应用始终面临一个"导电困境"——作为核心部件的气体扩散层(GDL)需要同时满足两个矛盾需求：既要通过疏水性的聚四氟乙烯(PTFE)涂层实现高效水管理，又因该绝缘材料的覆盖导致电子传导受阻。传统解决方案往往陷入"顾此失彼"的困局：减少PTFE含量虽能降低电阻却会引发水淹，而物理开孔等改性方法又可能损害材料机械强度。

韩国研究人员在《International Journal of Hydrogen Energy》发表的研究另辟蹊径，采用波长10.3μm的CO₂激光系统(REXBOT-L4040)对Toray TGP-H-060碳纸进行精确表面处理。通过控制激光功率(3-7W)和固定扫描速度(100mm/s)，实现了PTFE的选择性去除而不损伤碳纤维基底。研究团队运用拉曼光谱确认材料结构完整性，通过面积比电阻(ASR)测试量化导电性能提升，并系统比较了不同处理面朝向对电池输出的影响。

激光烧蚀参数优化
拉曼光谱显示5W处理样品在1350cm^-1(D峰)和1580cm^-1(G峰)保持完整碳特征峰，同时PTFE特征峰(2918cm^-1)显著减弱。该参数下ASR降至6.74mΩ cm²，较未处理样品(10.96mΩ cm²)降低38%，证实激光能选择性分解表面氟聚合物而不破坏碳骨架。

接触电阻降低机制
扫描电镜揭示激光处理后的碳纤维表面PTFE涂层被有效清除，暴露出原始导电网络。特别值得注意的是，当处理面朝向微孔层(MPL)时，在1MPa压缩条件下界面接触电阻降低最为显著，这归因于碳纤维与MPL碳颗粒之间更紧密的导电接触。

燃料电池性能验证
单电池测试显示，MPL接触面处理组在50%相对湿度下最大电流密度达1160mA/cm²，较对照组提升61%；在饱和湿度条件下仍保持1180mA/cm²的输出，增幅达36%。这种全湿度范围的性能提升证实该方法能同时优化电子传导和水管理功能。

该研究突破性地证明，通过精确控制的激光烧蚀可以"外科手术式"地改造GDL表面特性。相比传统化学改性或物理穿孔方法，这种非接触式处理既保持了碳纸的结构完整性，又通过暴露导电网络显著降低界面电阻。特别重要的是，处理后的样品在高低湿度环境下均展现卓越性能，解决了燃料电池实际运行中因工况变化导致的输出波动问题。研究团队提出的"表面选择性导电活化"策略为GDL设计提供了新范式，其采用的工业级CO₂激光系统更暗示该技术具备规模化生产潜力。这项成果不仅为PEMFC性能提升开辟了新途径，其"精准表面工程"的思路对其它需要平衡疏水/导电性能的功能材料开发也具有启示意义。