[发明专利]一种宽幅湿度自适应的燃料电池气体扩散层

说明书

本发明涉及一种宽幅湿度自适应的燃料电池气体扩散层，该气体扩散层包括依次叠加设置的碳质多孔基材(1)、整平层(2)和波纹层(3)，所述整平层(2)采用碳粉分散液自制而成，所述波纹层(3)采用碳粉凝胶自制而成。与现有技术相比，本发明能够实现燃料电池在宽幅湿度工况下的自适应，且制备的方法简单、环保。

技术领域

本发明涉及燃料电池用气体扩散层，具体涉及一种宽幅湿度自适应的燃料电池气体扩散层。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)，主要由双极板(Bipolar Plate)、阴/阳极气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)、阴/阳极催化层(Catalyst Layer,CL)、质子交换膜(Membrane)等关键部件组成。PEMFC运行过程中，电池性能受多种因素影响，主要包括电催化剂催化活性、电极导电性、质子交换膜导通率、电池内部水管理与热管理等几个方面，其中水管理的缺陷造成电池性能的下降尤为显著。

理想的电池运行状态，是系统中的水传递处于质量平衡状态，即进入电池的水量加上电池电化学反应生成水量等于电池排出的水量。然而在高温低湿度下，阴极生成的水将被快速蒸发或被过量的反应气体带出电池，导致反向扩散的水不足以弥补电迁移水的损失，造成质子交换膜脱水。反之在高电流密度下反应生成的过量水会阻塞气体孔道，阻碍反应气体扩散到催化层，造成电池水淹。因此，如何控制宽幅湿度下的水管理，是实现燃料电池长寿命稳定运行必须要解决的关键技术问题。

针对上述问题，中国专利201711078816.6提供了一种燃料电池气体扩散层结构，具体是在碳纸表面依次叠加高水气透过层与低水气透过层。沿着空气流动方向，高水气透过层厚度递增，低水气透过层厚度递减，两层叠加后的总厚度保持不变。通过这种方法能够平衡燃料电池反应气体入口处和出口处的水含量，保持各种湿度下电池的稳定性。然而在面对蛇形、交趾形等非单一气体流向的双极板时，气体扩散层局部水气透过率将出现周期性的变化。

中国专利201710145433.X提供了一种在碳纸表面制备低碳载量微孔层的方法，其微孔层浆液由导电碳粉、分散剂和憎水剂复配而成。为了减小产物水对反应气体的传质阻力，先用高固含量的浆液在碳纸表面制作整平层，从而减少向碳纸的渗入。然后喷涂低固含量浆料制作致密层，从而在满足水管理的同时增加传质效率。但是由于浆液中憎水剂通常是含有粘性的含氟类化合物，因此使用喷涂的方法易导致喷头的堵塞，加速仪器设备的消耗。

中国专利201710318918.4提供了一种由支撑层与微孔层构成的气体扩散层，其中微孔层是由亲水的碳粉层与憎水层多次叠层涂覆所得。亲水的碳粉层浆液是由导电碳粉与低沸点醇类溶剂混合而成，憎水层原料则通过优选低浓度的憎水剂乳液获得。这种多层叠加的结构，能够适应不同湿度的工作环境。然而多次涂覆的方法效率较低难以大规模实施，而且大量使用醇类溶剂成本难以控制。

综上，一种水管理效果显著、造价成本低廉、制备工艺环保的气体扩散层及其工艺急需被开发出来。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种宽幅湿度自适应的燃料电池气体扩散层。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种宽幅湿度自适应的燃料电池气体扩散层，该气体扩散层包括依次叠加设置的碳质多孔基材、整平层和波纹层，所述整平层采用碳粉分散液自制而成，所述波纹层采用碳粉凝胶自制而成。这三种微结构具备不同的特征厚度、孔隙率和峰值孔径，并满足依次减小的孔结构梯度规律。

优选地，所述整平层采用以下制备方法制备得到：

(a)称取碳粉、去离子水和助剂，边搅拌边缓慢地将碳粉和助剂加入去离子水中，在乳化机中于40-60℃下乳化3～5小时，所述去离子水的添加量为碳粉质量的15～30倍，所述助剂的添加量为碳粉质量的10％～20％；