拼图启发的聚合物电解质燃料电池气体扩散层图案化设计：增强水管理的新策略

这篇综述创新性地提出"拼图启发图案化(JPIP)"技术，通过将过氧化氢处理的亲水性碳盘嵌入疏水性气体扩散层(GDL)，构建定向水传输通道。研究证实该技术能显著提升聚合物电解质燃料电池(PEFC)在高电流密度(1.62 A cm-2)下的性能，峰值功率密度提升至751 mW cm-2，为氢能经济中的水管理难题提供了可规模化解决方案。

　　

1 引言

聚合物电解质燃料电池(PEFC)作为氢能经济的核心能源转换技术，面临高电流密度下阴极水淹导致的质量传输限制。传统聚四氟乙烯(PTFE)涂覆的疏水性气体扩散层(GDL)虽能维持气体通路，但无法有效解决水管理问题。研究创新性地提出拼图启发图案化(JPIP)方法，通过构建独立的亲/疏水区域实现定向水传输，其核心在于利用毛细压力差(ΔP_c=2σcosθ/r)驱动水分子向亲水区域迁移。

2 方法论

2.1 材料制备

采用30%过氧化氢在90°C下处理商用SGL 29AA GDL 12-48小时，使表面氧含量从1.0 at.%增至21.0 at.%，接触角从149°降至0°。通过精密冲床(±4 μm公差)制备1.5 mm直径的亲水碳盘，嵌入预打孔的疏水GDL中形成3D/6D/9D构型，间距1.25 mm。

2.2 微孔层(MPL)涂覆

采用刮刀法涂覆含20 wt.% PTFE的MPL浆料，经380°C烧结后形成40±3 μm厚、孔隙率77.2%的均匀层，既保持电子传导又增强机械稳定性。

2.3 性能表征

在80°C、95%湿度条件下测试，通过极限电流法测定氧传输阻力(R_T=4FP_O2/i_limRT)，结合SEM/XPS分析界面形貌与化学组成。

3 结果与讨论

3.1 亲水性调控效应

12小时处理的GDL(接触角116°)使峰值功率达735 mW cm^-2，而74°样品性能最优(751 mW cm^-2)。过强亲水性(0°)反而因流道肋板处水积聚(接触角97°)导致性能回降。

3.2 几何构型影响

6亲水盘构型(phob/phil-6D)使极限电流密度提升至1.57 A cm^-2，9盘构型进一步增至1.62 A cm^-2，证实增加亲水区域接触面积可延缓水淹发生。

3.3 机制解析

中子成像显示亲水区域形成优先水传输路径，使氧传输阻力降低23%。毛细泵效应驱动水分子从疏水区(θ>90°)向亲水区(θ=74°)定向移动，有效维持气体通道畅通。

4 技术优势

相比激光刻蚀或辐射接枝法，JPIP技术具有三大创新点：

1. 1.

   模块化设计支持辊对辊量产；

2. 2.

   化学氧化避免碳纤维结构损伤；

3. 3.

   摩擦锁定与MPL协同固定确保机械稳定性。16小时耐久测试显示电流波动较传统GDL降低42%。

5 应用前景

该技术为PEFC实现3.0 A cm^-2以上高密度运行提供新思路，未来可通过优化亲水区域形状(如分形结构)和空间排布，进一步突破现有性能瓶颈。研究团队正探索将该模式应用于碱性膜燃料电池(AMFC)的水-碱管理体系。