[發明專利]一種氣體擴散層及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110338306.8
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN112952114B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 朱星燁;楊敏;李曉琳;汪聰敏;季文姣
• 申請（專利權）人: 上海電氣集團股份有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/10
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 王衛彬;鄒玲

本發明公開了一種氣體擴散層及其制備方法和應用。該氣體擴散層包括依次貼合的第一微孔層、第二微孔層和基底層；第一微孔層包括碳粉、聚四氟乙烯和SiO₂/還原氧化石墨烯復合材料；第一微孔層的SiO₂/還原氧化石墨烯復合材料中SiO₂的質量百分比為5～50％；第二微孔層包括碳粉、聚四氟乙烯和SiO₂/還原氧化石墨烯復合材料；第二微孔層的SiO₂/還原氧化石墨烯復合材料中SiO₂的質量百分比為5～50％；第一微孔層中SiO₂占第一微孔層的質量百分比低于第二微孔層中SiO₂占第二微孔層的質量百分比。本發明可確保大電流密度下擴散層的疏水特性，水氣傳輸性能好，優化燃料電池性能。

技術領域

本發明涉及一種氣體擴散層及其制備方法和應用。

背景技術

質子交換膜燃料電池是一種將氫氣和空氣/氧氣的化學能直接轉化成電能的裝置，膜電極是其中的核心部件，由兩側涂覆催化層的質子交換膜和氣體擴散層組成，其中氣體擴散層具有傳導電子、氣體燃料擴散管理和電池水管理等作用，在燃料電池運行過程中，水管理的平衡很重要，既需要足夠的水分保持質子膜潤濕，也要避免水分積聚阻礙氣體傳輸，尤其是在大電流密度下，反應產生大量的液態水需要及時排出，同時在不同的工作狀況下快速切換時，需要擴散層能夠具備較好的水調節能力，滿足不同的工作狀況。

氣體擴散層通常由基底層和微孔層組成，其中基底層通常由碳纖維各向異性堆疊組成，經過疏水處理后，一側涂覆微孔層，微孔層由碳基粉末和憎水劑混合而成，直接與催化層接觸。目前傳統的氣體擴散層的制備工藝和配方很少關注其對縱向化性能梯度的要求，例如專利CN101156733A、CN109301263A、CN110380063A等，通常是整個氣體擴散層都表現出大體一致的性質(例如疏水性質)，沒有考慮到燃料電池工作過程中微孔層內/外對材料性質的不同要求，難以在大電流放電下實現水、氣的快速傳輸。

專利CN111009666A公開了一種雙層微孔層式氣體擴散層制備方法，其為了提高水氣的輸送能力，通過在其中一層微孔層的原料中添加造孔劑來實現微孔層的孔徑的梯度變化，以實現燃料電池的水管理能力。然而，現有技術中仍缺少根據膜電極的實際工作情況設計得到內外層性能不同、導電性好且水氣傳輸性能好的氣體擴散層，需要擴展新的方法得到內外層性能不同、導電性好且水氣傳輸性能好的新型的氣體擴散層。

發明內容

本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術中少有基于膜電極的實際工作情況設計得到內外層性能不同、導電性好且水氣傳輸性能好的氣體擴散層，而提供了一種氣體擴散層及其制備方法和應用。本發明通過構筑一種新型的疏水性梯度變化的燃料電池氣體擴散層，確保大電流密度下擴散層的疏水特性，水氣傳輸性能好，優化燃料電池性能。

本發明通過下述技術方案來解決上述技術問題。

本發明提供了一種氣體擴散層，其包括依次貼合的第一微孔層、第二微孔層和基底層；

所述第一微孔層包括碳粉、聚四氟乙烯和SiO₂/還原氧化石墨烯復合材料；其中，所述第一微孔層的SiO₂/還原氧化石墨烯復合材料中SiO₂的質量百分比為5～50％；

所述第二微孔層包括碳粉、聚四氟乙烯和SiO₂/還原氧化石墨烯復合材料；其中，所述第二微孔層的SiO₂/還原氧化石墨烯復合材料中SiO₂的質量百分比為5～50％；

所述第一微孔層中SiO₂占所述第一微孔層的質量百分比低于所述第二微孔層中SiO₂占所述第二微孔層的質量百分比。

本發明中，本領域技術人員知曉，“還原氧化石墨烯”是指將氧化石墨烯還原后得到的產物。