[发明专利]一种气体扩散层及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种气体扩散层及其制备方法和应用。该气体扩散层包括依次贴合的第一微孔层、第二微孔层和基底层；第一微孔层包括碳粉、聚四氟乙烯和SiO₂/还原氧化石墨烯复合材料；第一微孔层的SiO₂/还原氧化石墨烯复合材料中SiO₂的质量百分比为5～50％；第二微孔层包括碳粉、聚四氟乙烯和SiO₂/还原氧化石墨烯复合材料；第二微孔层的SiO₂/还原氧化石墨烯复合材料中SiO₂的质量百分比为5～50％；第一微孔层中SiO₂占第一微孔层的质量百分比低于第二微孔层中SiO₂占第二微孔层的质量百分比。本发明可确保大电流密度下扩散层的疏水特性，水气传输性能好，优化燃料电池性能。

技术领域

本发明涉及一种气体扩散层及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种将氢气和空气/氧气的化学能直接转化成电能的装置，膜电极是其中的核心部件，由两侧涂覆催化层的质子交换膜和气体扩散层组成，其中气体扩散层具有传导电子、气体燃料扩散管理和电池水管理等作用，在燃料电池运行过程中，水管理的平衡很重要，既需要足够的水分保持质子膜润湿，也要避免水分积聚阻碍气体传输，尤其是在大电流密度下，反应产生大量的液态水需要及时排出，同时在不同的工作状况下快速切换时，需要扩散层能够具备较好的水调节能力，满足不同的工作状况。

气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，其中基底层通常由碳纤维各向异性堆叠组成，经过疏水处理后，一侧涂覆微孔层，微孔层由碳基粉末和憎水剂混合而成，直接与催化层接触。目前传统的气体扩散层的制备工艺和配方很少关注其对纵向化性能梯度的要求，例如专利CN101156733A、CN109301263A、CN110380063A等，通常是整个气体扩散层都表现出大体一致的性质(例如疏水性质)，没有考虑到燃料电池工作过程中微孔层内/外对材料性质的不同要求，难以在大电流放电下实现水、气的快速传输。

专利CN111009666A公开了一种双层微孔层式气体扩散层制备方法，其为了提高水气的输送能力，通过在其中一层微孔层的原料中添加造孔剂来实现微孔层的孔径的梯度变化，以实现燃料电池的水管理能力。然而，现有技术中仍缺少根据膜电极的实际工作情况设计得到内外层性能不同、导电性好且水气传输性能好的气体扩散层，需要扩展新的方法得到内外层性能不同、导电性好且水气传输性能好的新型的气体扩散层。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中少有基于膜电极的实际工作情况设计得到内外层性能不同、导电性好且水气传输性能好的气体扩散层，而提供了一种气体扩散层及其制备方法和应用。本发明通过构筑一种新型的疏水性梯度变化的燃料电池气体扩散层，确保大电流密度下扩散层的疏水特性，水气传输性能好，优化燃料电池性能。

本发明通过下述技术方案来解决上述技术问题。

本发明提供了一种气体扩散层，其包括依次贴合的第一微孔层、第二微孔层和基底层；

所述第一微孔层包括碳粉、聚四氟乙烯和SiO₂/还原氧化石墨烯复合材料；其中，所述第一微孔层的SiO₂/还原氧化石墨烯复合材料中SiO₂的质量百分比为5～50％；

所述第二微孔层包括碳粉、聚四氟乙烯和SiO₂/还原氧化石墨烯复合材料；其中，所述第二微孔层的SiO₂/还原氧化石墨烯复合材料中SiO₂的质量百分比为5～50％；

所述第一微孔层中SiO₂占所述第一微孔层的质量百分比低于所述第二微孔层中SiO₂占所述第二微孔层的质量百分比。

本发明中，本领域技术人员知晓，“还原氧化石墨烯”是指将氧化石墨烯还原后得到的产物。