王蕾副教授/王小慧教授， CEJ：适用于稳定输出的高功率燃料电池的低水传输阻力的双层碳纸- 大数跨境

首页

王蕾副教授/王小慧教授， CEJ：适用于稳定输出的高功率燃料电池的低水传输阻力的双层碳纸

科学材料站

2025-12-17

导读：王蕾副教授/王小慧教授， CEJ：适用于稳定输出的高功率燃料电池的低水传输阻力的双层碳纸

科学材料站

文章信息

适用于稳定输出的高功率燃料电池的低水传输阻力的双层碳纸

第一作者：何鹏

通讯作者：王蕾*，王小慧*

单位：华南理工大学

科学材料站

研究背景

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种极具前景的清洁能源技术，然而，其性能严重受限于气体扩散层（GDL）内的水分管理问题，特别是在高功率密度条件下，容易出现积水现象。本篇观点展示了一种新型的双层气体扩散层（BGDL），该层通过静电相互作用的逐层过滤工艺制备，旨在实现气体和水分管理的平衡。该结构包括采用片状石墨烯实现高效电子传输的导电层，以及由纳米纤维素、3.0D 壳聚糖纤维和自组装碳纳米管构成的排水层，后者经过精密设计，能够增强孔隙连通性并加速排水。制备而成的BGDL（带MPL的双层GDS）表现出显著降低的透水压力（829.7Pa vs. CGDL的2187.2Pa）以及极快的排水速度（39秒），有效地缓解了淹没现象。采用该BGDL的燃料电池实现了1390mA cm-2的电流密度和1204mW cm^-2的峰值功率密度，显著提升了性能。此外，通过 COMSOL 仿真验证，该薄膜在动态工况下展现了卓越的湿度适应性和防淹没能力，证明了其水运输和气体渗透性能的显著提升。这种创新的薄膜设计为开发适用于各种高功率应用场景的、高效、耐用且可靠的质子交换膜燃料电池带来了广阔的前景。

科学材料站

文章简介

近日，来自华南理工大学的王蕾副教授与王小慧教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Bilayer gas diffusion layer with low water transfer resistance for stable fuel cells with high power output”的研究文章。该研究文章展示了一种新型的双层气体扩散层（BGDL），能够显著降低的透水压力并有效缓解了淹没现象。

科学材料站

本文要点

要点一：双层气体分散层可优化质子交换膜燃料电池的导电性和排水功能

图1. BGDS的制备路线和微观形态表征：（a）导电层制备路线；（b）漏极层制备路线；BGDS的微观形态表征：（c）2.0D CS；（d）3.0D CS；（e）与碳纳米管复合的CS；（f）BGDS上导电层表面微观图像；（g）BGDS下漏极层表面微观图像；（h）CGDS表面SEM图像；（i）BGDS截面SEM图像；（j）SGDS截面SEM图像；（k）CGDS截面SEM图像。

要点二：分级孔隙结构优化了水和气体的传输通道

图2. GDS 相关测试：（a）GDS 汞侵入孔隙度测试；（b）GDS 膨胀率与吸水率测试；（c、d）GDS 透水率与透气率测试；（e）GDS 电阻率测试；（f）GDS 抗水穿透性测试。

要点三：双层气体分散层可显著提升质子交换膜燃料电池的性能

图3. PEMFC 性能测试：（a）BGDL、SGDL 和 CGDL 极化曲线测试条件：80℃、100% 相对湿度，氢气与空气流量分别为 600 和 2000 sccm；（b）PEMFC 性能直方图；（c）样品 BGDL、SGDL 和 CGDL 在 0.65 V 电压下的奈奎斯特图曲线，测试条件为 80 ℃、100% 相对湿度，氢气与空气流量分别为 600 和 2000 sccm。奈奎斯特图展示了三种样品在相同条件下的特性。（d）电化学阻抗谱拟合计算结果直方图；（e）性能分布与先前研究的对比。

要点四：双层气体分散层能够有效提升电池的耐久性和效率

图4. 在 80℃、100% 相对湿度条件下，分别以 600 和 2000 sccm 的氢气与空气流量进行 GDL 水管理性能测试： (a–c) 展示了 SGDL、CGDL、BGDL 随时间变化的电压曲线； (d–f) 呈现了 SGDL、CGDL、BGDL 的浸水程度直方图；（g）展示了SGDL、CGDL和BGDL的总淹没时间直方图。

要点五：COMSOL仿真分析验证BGDS水管理机制

图5. COMSOL 仿真结果：（a, b）分别展示了 BGDS 和 SGDS 的微尺度模型。其中，BGDS的上部代表排水层，下部则构成导水层，水和气体的传输自底部向上进行；（c）和（d）分别显示了SGDS和BGDS在2秒后的水浓度场分布情况；（e）和（f）则分别显示了SGDS和BGDS的水流速场分布情况；（g）至（i）则分别绘制了突破压力、平均水浓度以及平均气浓度的分布图。

在本研究中，我们重点考察了新型气体扩散层（BGDL）在燃料电池中的水管理性能。与传统 GDL 不同，BGDL 的双层结构源自均匀的 GDS+MPL 组合。而我们的 BGDS+MPL 设计则开创性地实现了基底级功能分层，通过分离传输路径，显著提升了功率稳定性（>1.2 W cm^-2）和湿度适应性，这对于实际 PEMFC 部署至关重要。通过结合实验测试和 COMSOL Multiphysics 仿真，我们证实了 BGDL 相比于传统 GDL（例如单层 GDL 和 CGDL）具有显著优势。实验结果表明，BGDL 展现了卓越的水分排出能力，能够减少严重浸水现象，缩短恢复时间，并整体提升燃料电池的性能稳定性。具体来说，即使在高湿高温条件下，BGDL 仍能显著降低电压降并保持稳定运行。COMSOL 仿真进一步阐明了这些改进背后的机制：BGDL 的双层结构有效降低了水分传输阻力，并促进了快速排水。仿真结果表明，排水层显著降低了积水概率，从而提升了气体传输效率，并减少了浸水风险。总体而言，研究表明，BGDL不仅能够有效缓解淹没效应的负面影响，还能够促进燃料电池的稳定高效运行，为开发更耐用、更可靠的燃料电池铺平了道路，并有效解决了该领域面临的关键技术挑战。

科学材料站

文章链接

“Bilayer gas diffusion layer with low water transfer resistance for stable fuel cells with high power output”

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171823

科学材料站

通讯作者简介

王蕾副教授简介：华南理工大学轻工科学与工程学院副教授，博士生导师。研究领域为纸基能源材料。已在SCI期刊包括Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Energy Materials和Carbohydrate Polymers等发表学术论文50余篇。担任Exploration, Energy Materials等期刊青年编委。

王小慧教授简介：华南理工大学轻工科学与工程学院教授，博士生导师。主要从事生物质基材料研究。入选教育部“长江学者”特聘教授，中组部万人计划“青年拔尖人才”、教育部“新世纪优秀人才”支持计划、广东省特支计划、及“泰山产业领军人才”。已在Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Angew Chem. Int. Ed 等期刊发表SCI论文150余篇，SCI他引8000余次，H因子48。获教育部自然科学二等奖2项、轻工联合会技术发明奖1项，主持科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金等国家及省部级科研项目10余项，参编英文专著3部，获授权发明专利30余件。现担任中国纤维素行业协会专家委员会委员、中国化学会纤维素专业委员会委员、广东省造纸学会理事、SCI农林类一区期刊“Industrial Crops & Products”副主编。