捷克查理大學(xué)（Charles University）的 Vladimír Matolí教授課題組，使用Lean-Cat的燃料電池測試臺和Kolibrik的大電流電化學(xué)工作站，在“氫泵”狀態(tài)下用極限電流法LCD表征了氣體擴(kuò)散層GDL的輸運(yùn)性質(zhì)。

       氫燃料電池的高性能要求產(chǎn)品/反應(yīng)物在多孔電極中的高效傳輸。氣體擴(kuò)散層（GDL）是燃料電池電極的關(guān)鍵部分，在傳輸過程中起著重要作用。在這項(xiàng)工作中，我們使用極限電流技術(shù)（LCD）研究了市售GDL的氣體傳輸特性，并在運(yùn)行的燃料電池中測量了不同市售GDL的氧和氫的平均相對擴(kuò)散率。測試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)水傳輸受GDL厚度控制，以此為GDL在不同電流密度下的氣體擴(kuò)散性能和水飽和度提供了重要見解。極限電流方法允許快速測量擴(kuò)散特性，該方法提供了對催化劑層中氧傳輸過程的深入了解，允許估計(jì)傳輸阻力的不同貢獻(xiàn)。此外，對局部氧傳輸阻力的研究為優(yōu)化低鉑催化劑體系鋪平了道路。盡管極限電流法在氣體傳輸測量中具有很大的潛力，但由于生成水的影響，該方法僅限于低濃度的氧氣測試。但這個(gè)問題可以通過在“氫泵”狀態(tài)下使用限流技術(shù)來克服。在這種技術(shù)中，氫氣在沒有水的情況下進(jìn)行氧化和還原，這提供了更好的測量精度。

在LCD測量過程中，研究中的電極被設(shè)置為高過電位，這會耗盡催化劑表面附近的反應(yīng)物濃度。因此，可以建立通過多孔電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和電位獨(dú)立的擴(kuò)散流，允許使用菲克定律計(jì)算擴(kuò)散常數(shù)。在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，電流密度達(dá)到一個(gè)與電位無關(guān)的值，即極限電流密度。因此，測量的極限電流密度（I _lim）可以與多孔電極的有效擴(kuò)散（D _eff）相關(guān)，如下所示：

圖5顯示了不同GDL的燃料電池性能。在潮濕條件下（100%相對濕度），所研究的GDL在0.72至0.85Wcm范圍內(nèi)表現(xiàn)出相對較高的性能。從我們的觀點(diǎn)來看，總的燃料電池性能可能會受到MPL和CL之間的接觸電阻、橫向GDL電阻等的影響，這可能會影響氣體輸送的優(yōu)勢。所有研究的GDL的燃料電池性能隨濕度而降低。這種變化歸因于離聚物相的較少水合，這減少了催化劑層和膜中的質(zhì)子傳輸。在這點(diǎn)上，ORR中產(chǎn)生的水不能完全補(bǔ)償蒸發(fā)過程，離聚物逐漸變干。在這方面，GDL在保水方面發(fā)揮著重要作用。燃料電池性能測量結(jié)果表明，與較薄的擴(kuò)散層相比，較厚的GDL（H23C3、H24C5）具有更好的性能。值得注意的是，基于29BC GDL的系統(tǒng)在完全干燥氣體進(jìn)料時(shí)表現(xiàn)出最低的性能。同時(shí)，較厚的GDL H24C5顯示出幾乎兩倍的功率密度。這一結(jié)果可以通過GDL的氣體擴(kuò)散特性來解釋。因此，當(dāng)燃料電池中的離聚物相充分水合時(shí)，較低的氧氣在厚GDL中的擴(kuò)散速率可能會阻礙性能。GDL的性能稍高，氧擴(kuò)散速度更快（在100%RH下為29BC），證明了這一點(diǎn)。然而，在低濕度下，氧擴(kuò)散不是控制燃料電池性能的唯一參數(shù)。燃料電池的性能在很大程度上依賴于離聚物相的質(zhì)子傳導(dǎo)率，這反過來又是相對濕度的強(qiáng)大函數(shù)。因此，在低濕度水平下，保水性比快速氧擴(kuò)散更重要。氧擴(kuò)散率更好的介質(zhì)可能導(dǎo)致水蒸發(fā)更快。由于分子的分子量相似，水蒸氣的擴(kuò)散速率接近氧氣。這使我們能夠預(yù)測出通過厚GDL（H23C3，H24C5）的水蒸氣擴(kuò)散的最低速率，如同氧氣的情況一樣。當(dāng)水產(chǎn)生速率（相當(dāng)于電流密度）相同時(shí)，擴(kuò)散速率最低的系統(tǒng)將保留更多的水，并保持離聚物相的更高水合。因此，具有較低擴(kuò)散特性的GDL在干燥條件下提供較高的燃料電池性能。此外，GDL的疏水處理在低濕度條件下也發(fā)揮著重要作用。例如，在0%RH下，H24C5 GDL的MEA顯示出比基于H23C3的MEA更好的性能。這種行為的原因是沒有H24C5的疏水處理，這可能導(dǎo)致更好的保水性。

Electrochimica Acta 404 (2022) 139755     https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.139755