★“创新争先 自立自强”系列报道

能源变革加速，推动氢能产业进入了发展的快车道。其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）是氢能利用的重要方向。作为PEMFC中的关键材料气体扩散层，一直是被国外垄断相关技术的“卡脖子”问题。广州大学蒙玲博士后团队研发的“质子交换膜燃料电池气体扩散层”项目从纸基三维结构、碳基复合材料、数值模拟仿真和机器学习等四个维度设计为攻破燃料电池卡脖子难关注入新力量，斩获第一届粤港澳大湾区博士博士后创新创业大赛银奖。团队经过多年科技攻关，不断革新技术和产品，实现了气体扩散层的国产化，关键指标均优于商品样。

第一届粤港澳大湾区博士博士后创新创业大赛颁奖仪式（右四为蒙玲）

攻破难关，服务广阔应用场景

谈及此次获奖的质子交换膜燃料电池项目，蒙玲介绍到，质子交换膜燃料电池是一种将氢气与氧气通过电化学反应产生电能的能量转化装置，其过程不涉及燃烧，能量转换率高。目前它已在多个领域得到了应用。例如: 汽车领域、分布式发电领域、航天航空、船舶动力系统、潜艇等，包括北京冬奥会的很多乘用车和大巴车也均是采用了燃料电池汽车。和电动汽车、混合动力车相比，燃料电池车有续驶里程长、动力性能高、燃料加注时间短等优点。

基于提高燃料电池效能初衷，蒙玲博士后团队“质子交换膜燃料电池气体扩散层”项目集材料学、电化学、工艺设计学、计算机仿真等多学科交叉融合，团队研发的“质子交换膜燃料电池气体扩散层”项目从纸基三维结构、碳基复合材料、数值模拟仿真和机器学习等四个维度设计，拟攻破燃料电池卡脖子难关。

蒙玲表示，水管理一直是制约质子交换膜燃料电池性能提高以及商业化应用的一个关键因素，而气体扩散层正好处于水和反应气体传输的关键路径上。因此，气体扩散层对于有效排出生成水及传输反应组分都具有重要的意义。三维结构的基底层和碳基复合材料的气体扩散层微孔层不仅要起着支撑燃料电池结构，扩散反应气体以及传导电子和热量的作用，还要负责排出反应生成的液态水的任务。因此在应用中，气体扩散层必须同时满足良好的透气性、导电性和排水能力这三个基本要求。

在质子交换膜燃料电池项目中，数值模拟可以借助有限元分析软件，研究碳化、石墨化过程中碳纸内应力及形变行为，明确碳纸在碳化、石墨化过程中的结构演变机理;机器学习可以基于大量的气体扩散层孔结构信息、憎亲水特性，对其进行数学建模采用合适的液滴模型或者毛细管模型模拟气液两相流动模型，量化分析反应过程中水-水蒸气相变，研究孔结构对热量传递以及水气管理的影响并进行电化学性能分析预测。 

团队合作，推进产学研深度发展

蒙玲表示，如果没有良师益友的提点和支持，这个项目的很多难关也无从突破。团队最需要感谢的就是叶思宇院士倾力指导。在本项目中，叶思宇院士担任燃料电池应用技术顾问，指导了气体扩散层在质子交换膜燃料电池上面的性能验证。“我们团队属于叶思宇院士带领的广州大学黄埔氢能源创新中心，科研团队致力于推动国内燃料电池理论与技术的自主研发和推进一流产学研深度融合，充分利用叶院士自身影响力及团队研发的先进核心技术实现产业化和市场化应用，成为质子交换膜燃料电池研究理论和技术创新集聚区，占领质子交换膜燃料电池产业制高点。”

蒙玲博士后团队

叶思宇院士是加拿大国家工程院院士、广州大学教授。在电化学尤其是燃料电池领域具有数十年研发和产业化经验，是国际公认的燃料电池电催化和膜电极领域首屈一指的领军人物。他在本项目中担任燃料电池应用技术顾问，给质子交换膜燃料电池上气体扩散层的性能验证提供专业指导。近年来，在叶思宇院士带领下，该团队入选燃料电池膜产业化团队，团队带头人叶思宇获颁广州科技创新南山奖、珠江人才计划杰出人才项目等奖项。

该团队的研究工作主要集中于质子交换膜燃料电池与能源、环境、化学化工和先进材料密切相关的重要领域。据介绍，同时开展这四个方向的研究是为了保证从有特色的基础研究（电催化）到应用基础研究（能源材料），再到应用研究（燃料电池、电解水制氢）的紧密结合。

谈到团队里最让人印象深刻的故事，蒙玲博士后毫不犹豫地说，最忘不了攻克难关取得成绩的过程。她表示：“膜电极（MEA）是燃料电池电堆中承担核心的电化学反应的功能区，其成本占据电堆总成本的60%以上。我们创新中心团队和鸿基创能科技（广州）有限公司在产学研方面深度合作，鸿基创能配合开发的先进独特的CCM生产技术，膜电极各项性能指标处于国内领先水平。”

直面困难，百尺竿头更进一步

对于此次科研攻关的难点，蒙玲介绍说：“气体扩散层分为基底层和微孔层，其中基底层碳纸的碳纤维很难分散，这会直接影响到纸页的匀度和传热传质。团队从碳纤维的水分散、碳纤维的湿法成型、分散剂的选择以及表面结构调控等方面做出改变，进行了大量的实验，并使用了超低水力成型技术，最终有所突破。由于气体扩散层微观结构十分复杂，其结构还处于一种无序状态。在做出科研成果以前，只是通过对扩散层成分的简单调整，来制备性质不同的扩散层，也不能从根本上解决扩散层的最佳设计问题。而且在燃料电池工作条件下一般都会有液态水产生，由于液态水对反应气体传质有很大影响，并且与交换膜的水合程度也直接影响了质子的传导效应，所以液态水是一个非常重要且必须得考虑的因素。因此我们尝试使用数值模拟的方法建立不饱和模型来描述具有或没有微孔层的碳纸扩散层内的液态水分布，从而讨论微孔层对液态水排出的影响，最终有效指导气体扩散层的设计。”

对于最终科研成果的获得，蒙玲表示：“一个技术的成熟背后是很多人的努力，在研究成果得到验证的时候，有一种如释重负的感觉，但未来我们依然有很多的路要走。科学的道路本来就是漫长的孤寂的道路，多少代人孜孜不倦的努力，才发现一点点真理。个人的力量是有限的，只有团队的合作和学科的交叉才能让我们不会在自己的小圈子里固步自封。”

谈到得奖的感受，蒙玲说：“获得了银奖肯定是非常开心的，我很意外也很激动。要感谢广州大学不拘一格降人才的理念，不仅给我们打开了门，让我们可以潜心做基础研究；同时给我们打开了窗，鼓励我们进行应用研究，把科研成果写在祖国大地上。在广州大学，只要你想去实施，学校总会帮助你找到资源，找到平台，找到合作伙伴去完成。”

针对未来的发展，蒙玲表示将继续不忘初心研究纤维基能源材料和燃料电池关键材料，也希望自己依然能有随时出发的勇气和动力，为国家的科技创新和产业发展贡献力量。

人物简介

蒙玲，现为广州大学化学化工学院、黄埔氢能源创新中心叶思宇院士团队师资博士后。博士后工作期间主要通过实验验证结合仿真模拟研究纤维基能源材料和燃料电池关键材料。她在从事应用研究将近10年后进入高校进行基础研究，希望在研究视野与研究方法上与时俱进，通过基础研究厘清实际应用中的底层原理，探索共性现象和出现问题的根本原理和产生机制，进而突破应用瓶颈。

文图来源：广州大学