“氢泵”状态下用极限电流法表征气体扩散层GDL的输运性质

       捷克查理大学（Charles University）的 Vladimír Matolí教授课题组，使用Lean-Cat的燃料电池测试台和Kolibrik的大电流电化学工作站，在“氢泵”状态下用极限电流法LCD表征了气体扩散层GDL的输运性质。

       氢燃料电池的高性能要求产品/反应物在多孔电极中的高效传输。气体扩散层（GDL）是燃料电池电极的关键部分，在传输过程中起着重要作用。在这项工作中，我们使用极限电流技术（LCD）研究了市售GDL的气体传输特性，并在运行的燃料电池中测量了不同市售GDL的氧和氢的平均相对扩散率。测试结果分析发现水传输受GDL厚度控制，以此为GDL在不同电流密度下的气体扩散性能和水饱和度提供了重要见解。极限电流方法允许快速测量扩散特性，该方法提供了对催化剂层中氧传输过程的深入了解，允许估计传输阻力的不同贡献。此外，对局部氧传输阻力的研究为优化低铂催化剂体系铺平了道路。尽管极限电流法在气体传输测量中具有很大的潜力，但由于生成水的影响，该方法仅限于低浓度的氧气测试。但这个问题可以通过在“氢泵”状态下使用限流技术来克服。在这种技术中，氢气在没有水的情况下进行氧化和还原，这提供了更好的测量精度。

在LCD测量过程中，研究中的电极被设置为高过电位，这会耗尽催化剂表面附近的反应物浓度。因此，可以建立通过多孔电极结构的稳定和电位独立的扩散流，允许使用菲克定律计算扩散常数。在稳定流动状态下，电流密度达到一个与电位无关的值，即极限电流密度。因此，测量的极限电流密度（I _lim）可以与多孔电极的有效扩散（D _eff）相关，如下所示：

图5显示了不同GDL的燃料电池性能。在潮湿条件下（100%相对湿度），所研究的GDL在0.72至0.85Wcm范围内表现出相对较高的性能。从我们的观点来看，总的燃料电池性能可能会受到MPL和CL之间的接触电阻、横向GDL电阻等的影响，这可能会影响气体输送的优势。所有研究的GDL的燃料电池性能随湿度而降低。这种变化归因于离聚物相的较少水合，这减少了催化剂层和膜中的质子传输。在这点上，ORR中产生的水不能完全补偿蒸发过程，离聚物逐渐变干。在这方面，GDL在保水方面发挥着重要作用。燃料电池性能测量结果表明，与较薄的扩散层相比，较厚的GDL（H23C3、H24C5）具有更好的性能。值得注意的是，基于29BC GDL的系统在完全干燥气体进料时表现出最低的性能。同时，较厚的GDL H24C5显示出几乎两倍的功率密度。这一结果可以通过GDL的气体扩散特性来解释。因此，当燃料电池中的离聚物相充分水合时，较低的氧气在厚GDL中的扩散速率可能会阻碍性能。GDL的性能稍高，氧扩散速度更快（在100%RH下为29BC），证明了这一点。然而，在低湿度下，氧扩散不是控制燃料电池性能的唯一参数。燃料电池的性能在很大程度上依赖于离聚物相的质子传导率，这反过来又是相对湿度的强大函数。因此，在低湿度水平下，保水性比快速氧扩散更重要。氧扩散率更好的介质可能导致水蒸发更快。由于分子的分子量相似，水蒸气的扩散速率接近氧气。这使我们能够预测出通过厚GDL（H23C3，H24C5）的水蒸气扩散的最低速率，如同氧气的情况一样。当水产生速率（相当于电流密度）相同时，扩散速率最低的系统将保留更多的水，并保持离聚物相的更高水合。因此，具有较低扩散特性的GDL在干燥条件下提供较高的燃料电池性能。此外，GDL的疏水处理在低湿度条件下也发挥着重要作用。例如，在0%RH下，H24C5 GDL的MEA显示出比基于H23C3的MEA更好的性能。这种行为的原因是没有H24C5的疏水处理，这可能导致更好的保水性。

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