氢气具有高能量密度、燃烧热量高、燃烧产物无污染等特点，被誉为二十一世纪的“终极能源”。质子交换膜燃料电池是一种以氢气为能源的能源转换装置，具有高效、环境友好、工作条件温和等优势，受到人们广泛关注。尽管质子交换膜燃料电池近些年得到了快速发展，但是质子交换膜燃料电池目前仍面临着传质和水管理薄弱的问题，从而导致较低的峰值功率密度。一些科研工作者通过改变流场板的流道结构，又或者采用金属泡沫、石墨烯泡沫取代传统流场板，以提高质子交换膜燃料电池的传质能力，提升燃料电池性能。尽管金属泡沫以及石墨烯泡沫这种无流场结构可以促进传质，但是在高电流密度下仍会存在传质和水淹问题，这会极大的影响燃料电池的性能。
最近，中国科学院苏州纳米所周小春团队利用激光雕刻技术以东丽碳纸为基材，设计制备了具有波形流道和微通道脊的新型一体化GDL。这种新型一体化GDL底部和脊具有丰富的多孔结构，具有优异的气体传质和水管理能力，可极大提升燃料电池的性能（图1）。
图1. 传统流道、一体化GDL及新型一体化GDL示意图
新型一体化GDL具有波形流道和微通道脊这种特殊结构，使其具有优异的电池性能。可以使用低至0 kPa和50 kPa的空气背压，分别达到纯氧条件下燃料电池性能的80%和90%，这可以极大的降低燃料电池系统空气压缩机的能耗，从而提升燃料电池汽车的续航里程。此外，新型一体化GDL还具有较宽的湿度耐受性，当相对湿度从40%增加到100%时，燃料电池峰值功率密度始终保持在1.4 W cm-2（图2）。
图2. 新型一体化GDL与传统流道下的电池性能比较。(a)一体化GDL和商业GDL在氢-空气和氢-氧气条件下的性能。(b)空压机在不同背压下的功耗估算。(c) 基于一体化GDL和商业GDL的燃料电池汽车续驶里程估算。(d)一体化GDL不同湿度下的极化曲线。(e)商用GDL在不同湿度下的极化曲线。(f) 一体化GDL和商用GDL的峰值功率密度与湿度的关系
为了比较新型一体化GDL与传统流场的区别，研究者进一步研究了两者传质和水管理的差别。首先，传统电池结构会导致反应产生的水在流场板与GDL接触部分积累。其次，气体在流场与催化层之间的传质是通过缓慢扩散进行。而该团队设计制备的一体化GDL正好可以完美解决这些问题。首先，具有微通道的多孔脊可以快速去除脊与双极板界面的水。其次，由于制备的流道具有波形高低起伏的特点，气体在流场与催化层之间以湍流形式进行流动，并且流动方向不断改变形成旋涡，这种流动方式快速且温和（图3）。
图3. 新型一体化GDL和商用GDL的传质机理
综上，这项工作利用激光雕刻方式设计制备了一种具有波形流道以及微通道脊的新型一体化GDL，这种新型一体化GDL具有较好的气体传质能力和水管理能力，在0 kPa和50 kPa的空气背压，分别达到纯氧条件下燃料电池性能的80%和90%。在未来应用到燃料电池系统中可极大的降低空压机的功耗，并且进一步提升燃料电池车的续航里程。
该工作为下一代燃料电池气体扩散层的设计提供了新的思路和指导。相关工作以A New Integrated GDL with Wavy Channel and Tunnelled Rib for High Power Density PEMFC at Low Back Pressure and Wide Humidity为题发表在Advanced Science期刊上，文章第一作者为中国科学院苏州纳米所博士研究生何灿，通讯作者为中国科学院苏州纳米所周小春研究员。该工作得到国家重点研发计划、苏州碳达峰碳中和技术支持重点项目等资助，同时感谢中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）提供的测试帮助。