[发明专利]一种具有梯度孔结构的气体扩散层及其制备和应用

权利要求书

1.一种具有梯度孔结构的气体扩散层，所述气体扩散层由大孔炭基支撑体和微孔层叠合组成；其中，大孔炭基支撑体与电池流场相邻，与流场相邻的气体扩散层表面为第一表面；微孔层与膜电极催化层相邻，与催化层相邻的气体扩散层表面为第二表面；

其特征在于：构成微孔层的组成材料从远离电池流场的大孔炭基支撑体一侧镶嵌到大孔炭基支撑体内，构成过渡孔层；且于大孔炭基支撑体内、从电池流场向膜电极催化层的方向上微孔层组成材料的含量逐渐增加；即微孔层的组成材料浓度从第一表面向第二表面方向上呈递增趋势。

2.按照权利要求1所述气体扩散层，其特征在于：通过微孔层的组成材料从远离电池流场的大孔炭基支撑体一侧嵌入，使气体扩散层中自第一表面向第二表面方向上的空气透气率由4～10s/100ml逐渐降低至100～900s/100ml；

所述过渡孔层从第一表面向第二表面方向上反应气体传递的曲率呈梯度增加趋势，空气透气率呈递减趋势。

3.按照权利要求1所述气体扩散层，其特征在于：所述过渡孔层由微孔层的组成材料和大孔炭基支撑体的纤维构成，其中过渡孔层的厚度为大孔炭基支撑体的厚度；

所述微孔层的组成材料包括导电材料、憎水粘结剂；

所述导电材料为活性炭、介孔炭或石墨粉，憎水粘结剂为聚四氟乙烯树脂、聚偏氟乙烯树脂、聚偏氟丙稀树脂、聚全氟丙稀树脂或聚全氟乙丙稀树脂的微粉、溶液或乳液。

4.按照权利要求1所述气体扩散层，其特征在于：其中导电材料和憎水粘结剂的比例为1∶9～9∶1，导电材料总担载量为2～6mg/cm²。

5.按照权利要求1所述气体扩散层，其特征在于：所述大孔炭基支撑体为导电编织炭布或导电非编织炭纸，10微米≥大孔炭基支撑体的平均孔径≥1微米，空气透气率为4～10s/100ml。

6.一种权利要求1所述气体扩散层的制备方法，其特征在于：

过渡孔层和微孔层的制备：

在压力作用下将微孔层浆料分2次或2次以上从大孔炭基支撑体的一侧均匀渗透至经过预处理的大孔炭基支撑体内部；

压力自第二表面向第一表面方向施加，使大孔炭基支撑体上于第二表面侧与第一表面侧间的压力差为0.1-6MPa，得过渡孔层；

于过渡孔层的第二表面方向侧制备微孔层。

7.按照权利要求6所述气体扩散层的制备方法，其特征在于：

在分2～10次将微孔层浆料渗透至大孔炭基支撑体内部时，相邻2次渗透施压过程，使大孔炭基支撑体上于第二表面侧与第一表面侧间的压力差呈递减的趋势，即后一次的压力差小于前一次的压力差。

8.按照权利要求6或7所述气体扩散层的制备方法，其特征在于：

施加压力渗透的最佳次数为3～5次；所述压力方法为丝网印刷法或喷涂法或抽真空法。

9.按照权利要求6所述气体扩散层的制备方法，其特征在于：

1)大孔炭基支撑体的预处理：

将导电编织炭布或导电非编织炭纸浸渍于含有1～10wt％憎水粘结剂的分散液中，浸渍后憎水剂的质量分数为5～30wt％，然后进行焙烧处理并在高于憎水剂玻璃化温度5～15℃条件下保温40～60min，得到预处理的大孔炭基支撑体；

所述憎水粘结剂为聚四氟乙烯树脂、聚偏氟乙烯树脂、聚偏氟丙稀树脂、聚全氟丙稀树脂或聚全氟乙丙稀树脂的微粉、溶液或乳液；

所述分散液中的溶剂为去离子水、无水乙醇、乙二醇、1，2-丙二醇、丙三醇、异丙醇或N，N-二甲基甲酰胺中的一种或一种以上的混合溶液；

2)微孔层浆料的制备：

将导电材料和憎水剂按1∶9～9∶1比例分散于分散剂中，分散剂为导电材料质量的10～50倍，在超声波中振荡混合至均匀，得到微孔层浆料，其中导电材料担量为2～6mg/cm²；

所述分散剂为无水乙醇、乙二醇、1，2-丙二醇、丙三醇、异丙醇或N，N-二甲基甲酰胺中的一种或一种以上的混合溶液。

10.一种权利要求1所述的气体扩散层可用于碱性燃料电池或低增湿燃料电池中。