一种气体扩散层及其制备方法及由其制得的燃料电池与流程

本发明属于燃料电池，尤其涉及一种气体扩散层及其制备方法及由其制得的燃料电池。

背景技术：

1、氢燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置，具有能量密度高，利用率高、清洁安静等优点，是一种高效的能量转化装置。其中质子交换膜燃料电池应用最为广泛，其核心部件为膜电极，是能量转换的多相物质传输和电化学反应场所，涉及三相界面反应、复杂的传质传热过程，直接决定了燃料电池的性能、寿命及成本。膜电极由质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板等结构组成，其典型组装方案如下：首先制备质子交换膜，将含催化剂浆料分别喷涂在质子交换膜阴阳极两侧，形成质子交换膜上构筑催化剂层的结构；在碳纸基底表面涂覆微孔层而形成气体扩散层；按照阴极气体扩散层、喷涂催化剂的质子交换膜、阳极气体扩散层顺序分别封装在两侧双极板之间，通过垫片及螺栓进行封装，形成单层膜电极结构。

2、其中气体扩散层可由多孔状碳纸或碳布作为基底层，在其一侧表面涂覆微孔层制备。气体扩散层一方面具有为电极反应提供气体通道、排水通道以及有效的载流子通道等功能；另一方面可起到支撑催化剂、稳定电极结构的作用。气体扩散层是典型的“一材多用”的材料，不同的功能要求不同的结构性能参数，因而在性能调控方面存在权衡效应。

3、双极板是燃料电池的另外一种核心零部件，主要作用为支撑膜电极，提供氢气、氧气和冷却液流体通道，并可分隔氢气/氧气、收集电子、传导热量。双极板的核心区域为流场区，其结构是在石墨或金属表面形成若干连通的沟槽，为反应气体传导形成流道，同时方便反应产物水的排出；而非流道区域与气体扩散层紧密贴合，可以有效支撑膜电极，并能进行电子传导、热量传输。

4、目前存在至少两个技术问题：

5、首先，在膜电极中，质子交换膜不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用，其在低湿度或高温条件下极易因为缺水导致电导率降低，同时影响质子传导效率，造成膜电极性能下降，这将直接影响氢燃料电池的反应效率。

6、其次，在燃料电池工作过程中，阴极侧会生成反应产物水，部分液态水会随反应气流从双极板流道排出，同时也会由于反向扩散作用转移至阳极侧。高湿度或大电流密度工况状态下，水的生成速率可能大于排出及扩散速率，多余的水将停留在电池内部，堵塞气体扩散层孔隙空间，反应物氢气、氧气无法充分进入催化剂层，从而形成“水淹”状态。

7、为解决氢燃料电池膜电极低湿度环境下的性能差问题，在进行微孔层疏水层涂覆过程中添加不同层间亲水层涂覆，通过亲水层有效吸附水分子，提高低湿度环境下的膜电极保湿性能。期刊“hydrophilic and hydrophobic double microporous layer coatedgas diffusion layer for enhancing performance of polymer electrolyte fuelcells under no-humidifification at the cathode，journal of power sources，199(2012)：29–36”开发了一种新型的亲水性和疏水性双微孔层涂层气体扩散层，以进一步提高在阴极无加湿条件下的燃料电池性能。将由碳黑和聚四氟乙烯组成的疏水mpl涂覆在碳纸基底层上；由碳黑和聚乙烯醇组成的亲水层也被涂在疏水的气体扩散层上。亲水层可以有效地保持催化剂层的湿度，而亲水层与底物之间的疏水中间层则阻止了通过底物中的干燥空气去除亲水层中的水。专利cn202210088485.9公开一种燃料电池气体扩散层及其制备方法，其中气体扩散层包括碳纤维基底层和微孔层，气体扩散层包括了亲水性聚合物，提高了气体扩散层的保水效果，使得气体扩散层具备自增湿的功能，亲水性聚合物配合聚四氟乙烯对气体扩散层的疏水，以使该气体扩散层无需设置水冷系统和加湿系统。

8、如上所述这些手段，虽然可以部分解决气体扩散层的某些问题，但无法兼顾气体扩散层对低湿度保湿提高活性和高湿度排水防止水淹的需求。

9、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种气体扩散层及其制备方法及由其制得的燃料电池，通过制备基底层-亲水层-疏水层的结构，并在亲水层进行刻蚀得到亲水位点，有效解决了低湿下难保湿、高湿度下易水淹的问题。

2、为实现以上目的，本发明采用以下具体技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种气体扩散层，包括依次相接的基底层、亲水层和疏水层；所述亲水层包括若干个非连续的亲水位点，所述亲水位点分布于与燃料电池膜电极的双极板流道对应的区域。

4、第二方面，本发明还提供一种气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：

5、s1：配置亲水浆料，在基底层上进行初始亲水层涂覆，形成初始亲水层。

6、s2：按照燃料电池膜电极的双极板流道设计亲水位点图案，采用所述图案以激光射线刻蚀所述初始亲水层，得到包括亲水位点和刻蚀区域的亲水层。

7、s3：配置疏水浆料，在所述亲水层上进行疏水层涂覆，形成疏水层。

8、s4：将步骤s3所得产物进行烧结，即得所述气体扩散层。

9、第三方面，本发明还提供一种燃料电池，包括所述的气体扩散层或包括所述的制备方法制得的气体扩散层。

10、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

11、(1)以本发明的气体扩散层制得的膜电极在低湿度环境下使用，亲水位点内容易吸附反应生成的水及反向扩散带来的水，质子交换膜更容易保持在湿润环境中，保持质子交换膜活性，提高了质子交换膜质子传导率及导电率，从而提高氢燃料电池的功率密度。

12、(2)以本发明的气体扩散层制得的膜电极在高湿度环境下使用，以及在高电流密度下使用，反应生成较多的水，这些水优先会进入亲水位点，并通过碳纸孔隙排出至双极板流道。而亲水位点之外的区域，不受排水影响，孔隙结构不易被水堵塞，反应气体可以畅通无阻的通过并达到催化剂层，提高膜电极在高湿环境下的性能。

13、综上，本发明制备的气体扩散层及其装配方式，可有效改善气体扩散层在不同应用场景下的性能，实现在低湿环境下保湿增效，在高湿环境下排水防“淹”的作用，可以同时兼顾高、低湿场景下的应用，有效扩大氢燃料电池高性能使用的范围。

技术特征：

1.一种气体扩散层，其特征在于，包括依次相接的基底层、亲水层和疏水层；所述亲水层包括若干个非连续的亲水位点，所述亲水位点分布于与燃料电池膜电极的双极板流道对应的区域。

2.一种气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述基底层是经过疏水处理后的碳纸；

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述配置亲水浆料为：将炭黑粉末和亲水剂溶于去离子水，均质处理，即得；

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述亲水层包括若干个非连续的亲水位点；

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述配置疏水浆料为：将炭黑粉末和疏水剂溶于去离子水，均质处理，即得；

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s3中，对所述涂覆的疏水层进行热处理；

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述烧结的温度为300-400℃，所述烧结的时间为20-40min。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述亲水位点的厚度为5-15μm；

10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1所述的气体扩散层或包括权利要求2-9任一项所述的制备方法制得的气体扩散层。

技术总结本发明提供一种气体扩散层及其制备方法及由其制得的燃料电池。该气体扩散层包括依次相接的基底层、亲水层和疏水层；所述亲水层包括若干个非连续的亲水位点，所述亲水位点分布于与燃料电池膜电极的双极板流道对应的区域。其制备方法为：配置亲水浆料，在基底层上进行初始亲水层涂覆；按照双极板流道设计亲水位点图案，以激光射线刻蚀初始亲水层，得到亲水层；配置疏水浆料，在亲水层上进行疏水层涂覆；将上述所得产物进行烧结，即得。本发明通过制备基底层‑亲水层‑疏水层的结构，并在亲水层进行刻蚀得到亲水位点，有效解决了低湿下难保湿、高湿度下易水淹的问题。技术研发人员：请求不公布姓名受保护的技术使用者：国科领纤新材料（常州）有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/2