[发明专利]一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层及其制备方法

权利要求书

1.一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，其特征在于由至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜按照孔隙梯度堆叠形成，气体扩散层内孔隙尺寸分布范围为0.5nm-100μm，气体扩散层的厚度为200-300μm。

2.如权利要求1所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，其特征在于孔隙尺寸小的自支撑碳膜靠近燃料电池催化剂层，孔隙尺寸大的自支撑碳膜靠近燃料电池气体输入端。

3.如权利要求1所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，其特征在于至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜具有相同或不同的厚度，其组装成气体扩散层时堆叠层数至少为三层。

4.一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将两种以上具有不同孔隙结构的碳材料作为气体扩散层梯度孔结构设计模板，每种碳材料与一定量粘结剂和导电剂混合研磨，之后通过擀片辊压的方法分别制备具有一定厚度的自支撑碳膜；

(2)将步骤(1)制备的自支撑碳膜按照一定的组合顺序、组合比例和组合层数进行堆叠、冷轧，得到具有梯度孔分布的气体扩散层，该气体扩散层的厚度为200-300μm，其内部孔隙尺寸分布范围为0.5nm-100μm，其内部孔隙由小到大梯度分布；堆叠冷轧后的自支撑碳膜用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层做支撑。

5.如权利要求4所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤(1)中，碳材料与导电剂、粘结剂按照质量比为(8-9.5)：(1-0)：(1-0.5)进行混合研磨。

6.如权利要求4所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤(1)中，滚轴宽度设定为0-400μm。

7.如权利要求4所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤(2)中，不同孔隙结构的自支撑碳膜按照三层或者三层以上的层数进行堆叠、冷轧组装，不同孔隙结构的自支撑碳膜堆叠组装时具有相同或不同的厚度和质量比，最终制备的气体扩散层厚度控制在200-300μm。

8.如权利要求4所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于碳材料选用活性炭YP50F、活化氧化还原石墨烯和石墨烯，导电剂选用乙炔黑、科琴黑、石墨烯和碳管中的任意一种，粘结剂选用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羟甲基纤维素、丁苯橡胶、聚丙烯酸和聚乙烯醇中的任意一种。

9.如权利要求8所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于制备活性炭自支撑碳膜时，活性炭与粘结剂所占的质量百分数分别为95％和5％；制备活化氧化还原石墨烯自支撑碳膜时，活化氧化还原石墨烯与粘结剂所占的质量百分数分别为95％和5％；制备石墨烯自支撑碳膜时，石墨烯与导电剂和粘结剂所占的质量百分数分别为80％、10％、10％。

10.如权利要求9所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于粘结剂选用聚四氟乙烯的水溶液或者聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯的水溶液中聚四氟乙烯的质量分数为5％。