燃料电池优化中的气体扩散层测试
背景与技术环境
气体扩散层（GDL）是一种多孔导电材料，在燃料电池运行中发挥着多重关键作用。 该材料位于双极板与催化剂层之间，必须同时实现以下功能：促进气体从流道向催化剂位点的传输，将电子从催化剂层导向双极板，实现阴极水分排出以防止浸没，并为薄膜电极组件提供机械支撑。平衡这些相互冲突的要求使得GDL的设计与制造尤为困难。
传统气体扩散层（GDL）通常由碳纤维纸或碳纤维布构成，其单面涂覆微孔层。然而，燃料电池技术的近期进展推动了薄膜GDL的发展，这类材料具有显著优势。 这类薄膜结构厚度通常仅为50-150微米（传统GDL为200-400微米），不仅能降低整体堆栈厚度和重量，还能通过减少质量传递阻力、优化水分管理来提升性能。制造这些超薄层需要精确控制涂覆工艺，严格管理碳纤维基材，并确保微孔层具有稳定的物理特性。
微孔层（MPL）通常由炭黑颗粒与聚四氟乙烯（PTFE）等疏水性粘合剂混合而成，作为碳纤维基材较大孔隙与催化剂层微小孔隙之间的关键界面。 该微孔层不仅能增强电接触性能，为催化剂涂覆提供更平滑的基底表面，更通过调控关键界面处的孔隙尺寸与分布，在水分管理中发挥着至关重要的作用。对于薄膜型GDL，微孔层通常占据总厚度的重要比例，因此其质量与均匀性尤为关键。
客户为何需要测试
气体扩散层（尤其是薄膜型）的质量控制存在挑战，这直接影响燃料电池的性能、耐久性和制造效率。薄膜型GDL的减薄虽带来优势，但也产生了脆弱性。即使仅几微米的厚度差异，也会导致组装堆栈中压缩不均，在膜上产生局部应力并形成气体泄漏通道。 厚度不均还会影响与双极板及催化剂层的接触电阻，导致电流分布问题——这不仅降低整体效率，还会形成加速材料退化的热点区域。
气体扩散层（GDL）的多孔结构与成分必须严格控制，以平衡气体渗透性、导电性和机械强度。密度变化表明纤维填充或金属聚合物层（MPL）负载不均，这将同时影响电阻和气体传输特性。过密区域会限制气体流动并增加电阻；过疏区域则可能导致机械强度不足或积水过量。 裂纹、撕裂或金属聚合物层与基材的剥离等缺陷可能引发灾难性失效模式，而针孔或薄弱区域则会削弱导电层的保护功能，进而导致膜体损伤。
疏水处理和MPL特性对水分管理至关重要，这是燃料电池运行中最严峻的挑战之一。疏水处理不足会导致水分淹没GDL孔隙，阻碍气体向催化剂输送。过度处理则会难以维持膜层的适当水合状态。 MPL的厚度、均匀性及无裂纹结构决定了其从催化剂层有效排水分的同时，能否防止水分淹没GDL孔隙。这些特性难以通过传统技术评估，却根本性地决定了燃料电池在不同工况下能否稳定运行。
客户测试什么
电磁测试可对薄膜导电背板（GDL）的特性进行全面表征：
- 厚度均匀性与分布图：非接触式电磁测量技术可生成覆盖整个GDL表面的详细厚度分布图，从而识别可能导致组装问题或性能缺陷的厚度偏差。
- 密度与基重验证：电磁特性与材料密度及基重相关联，可快速验证碳纤维含量的准确性及MPL涂覆工艺的一致性。
- 电导率测绘：对导电玻璃层（GDL）表面的片电阻测量揭示了其电学特性的变化，这些变化可能导致电流分布不均并降低性能。
- MPL质量与覆盖范围：电磁信号可区分基材与MPL，检测出涂层缺失、厚度不均或剥离的区域。
- 缺陷检测：裂纹、撕裂、针孔及其他结构缺陷会产生独特的电磁响应，从而实现自动化质量控制。
- 水分含量监测：介电测量可检测制造工艺后残留的水分或溶剂，确保组装前完全干燥。
- 疏水处理验证：经聚四氟乙烯（PTFE）或其他疏水处理后电磁特性的变化，可证实处理成功及涂层均匀性。
- 纤维取向与结构：对于采用编织或非编织碳纤维制成的GDL，电磁各向异性测量可揭示纤维取向及结构一致性。
针对薄膜导电玻璃（GDL）进行快速无损检测的能力尤为重要，这源于其减薄的厚度及制造过程中所需的精密要求。电磁检测方法可在生产线上实时实施，实现过程控制与质量问题的即时检测。高速扫描系统能对大面积GDL薄片进行全面检测，生成详细的质量分布图，据此优化切割方案，从而最大化每批次产品的良品率。
对于从传统技术向薄膜GDL技术转型的制造商而言，电磁测试为工艺开发与优化提供了关键反馈。定量数据能够建立制造参数与最终GDL性能之间的关联，从而加速涂覆工艺、干燥条件及质量规范的优化进程。随着燃料电池系统在成本上日益具备竞争力，电磁测试助力企业实现薄膜GDL的高产量与稳定品质，这已成为决定性竞争优势。