CN113948716A - 一种燃料电池气体扩散层及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层包括基体层和位于基体层表面的微孔层；所述微孔层的制备原料包括：二氧化硅溶胶、聚乙烯醇、交联剂以及活性炭黑。本发明中所述微孔层用于气体扩散层可以提高气体扩散层的粗糙度和接触角，从而提高气体扩散层的疏水性能，且将所述气体扩散层用于质子交换膜燃料电池还能够提高燃料电池的电化学性能。

Description

一种燃料电池气体扩散层及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池气体扩散层及其制备方 法和应用。
背景技术
燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，近年来成为各国研究开发 的热点。
其核心部件膜电极是由气体扩散层、催化层和质子交换膜通过热压工艺制 备而成。作为具有导电性的多孔构件的气体扩散层通常设置在电极和隔离膜之 间。气体扩散层用于在电极层和外部电路之间稳定地转移氢气、氧气、水、电 子和热等。电解质的水合需要将燃料电池的最高操作温度限制为大约80℃。在 上述温度以上，会出现膜干燥，导致质子传导性降低。
另一方面，如果未有效地去除产生的水，会导致水聚集并淹没电极。这会 由于反应物的质量传输的阻力增大而导致电压损失。当燃料电池在低温下和/或 高电流密度下操作时经常出现淹没。在低温下，蒸汽压力降低，这使得更容易 出现这样的情况，即水蒸气分压会超过饱和蒸汽压力，并导致水在电极内部聚 集并阻挡气体在的扩散。由于燃料电池中的水的水平不仅严重地影响膜特性， 还严重地影响反应物的传输和电极反应动力学，所以保持阴极和阳极之间的最 佳的水平衡是实现更高水平的电池性能的重要因素。研究表明，利用自增湿膜 电极的出发点就是增大膜两侧水浓度。
CN113178590A公开了一种燃料电池气体扩散层及加工方法，所述气体扩 散层靠近双极板一侧表面分布若干不同深度和间距的椭圆凹槽微结构；靠近气 体入口处的椭圆凹槽微结构深度小于靠近气体出口处的椭圆凹槽微结构深度。 通过改变阴极气体扩散层靠近双极板表面的微结构，凹槽阴极入口方向间隔大 于出口方向凹槽间隔，入口方向凹槽深度小于出口方向深度，使气体扩散层表 面的液态水更易排出，进而防止燃料电池发生“水淹”。但是疏水性仍然有待提 高。
CN113178591A公开了一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其加 工工艺，所述气体扩散层靠近双极板一侧表面分布呈梯度的波浪状微凹槽结构， 且所述波浪状微凹槽结构位于气体扩散层的入口段与气体扩散层的出口段之 间。呈梯度的波浪状微凹槽结构为沿气体流动方向波浪状微凹槽结构的幅值和 波长同步梯度递增。按梯度分布的凹槽可以实现不同的水含量对应不同强度的 排水能力，保证沿气体流动方向水分布的一致性。通过上述的工艺可以实现材 料稳定的工作状态，使材料的寿命更长，但是疏水性却有待提高。
CN110676468A公开了一种对质子交换膜燃料电池内阴极气体扩散层材料 的疏水性能进行处理的方法。极板中与气体扩散层连接的实体部分为脊，两脊 之间的区域为流道，阴极气体扩散层的材料采用碳纸，处理的具体方法主要分 为：清洗去尘、烘干、将碳纸置入稀释的聚四氟乙烯悬浮液中浸泡、对特定区 域冲洗去除溶液、再次烘干等9个步骤。处理方法仅对流道下方以及脊下的阴 极气体扩散层两个位置进行疏水性能处理。但是使用了碳纤维制备基层，表面 设置有拒水层，会导致燃料电池的电阻增加。
如何提高燃料电池的气体扩散层的疏水性能并提高燃料电池的电化学性 能，是燃料电池的重要研究方向。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种燃料电池气体扩 散层及其制备方法和应用，可以提高气体扩散层的疏水性能，且将所述气体扩 散层用于质子交换膜燃料电池能够提高燃料电池的电化学性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层包 括基体层和位于基体层表面的微孔层。
所述微孔层的制备原料包括：二氧化硅溶胶、聚乙烯醇、交联剂以及活性 炭黑。
本发明中微孔层通过聚乙烯醇与二氧化硅溶胶以及活性炭黑复合形成微孔 层，具有较好的疏水性能、气体渗透性以及氧的有效扩散性，并能够减少水的 阻力，增加液态水的传输率，从而有效缓解水淹，其用于气体扩散层能够增加 气体扩散层的疏水性能；气体扩散层用于质子交换膜燃料电池能够提高燃料电 池的电化学性能，使其能够作为动力电池用于汽车中。
作为本发明优选的技术方案，所述基体层为碳纤维纸层。
优选地，按照质量分数计所述微孔层的原料为：41～60％二氧化硅溶胶，、 32～45％聚乙烯醇、1～3％交联剂以及7～12％活性炭黑。
其中，所述二氧化硅溶胶的质量分数可以是41％、42％、43％、44％、45％、 46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、 58％、59％或60％等，所述聚乙烯醇的质量分数可以是32％、33％、34％、35％、 36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％或45％等，所述交联剂 的质量分数可以是1％、1.5％、2％、2.5％或3％等，所述活性炭黑的质量分数可 以是7％、8％、9％、10％、11％或12％等，但不仅限于所列举的数值，上述各 数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，按照质量分数计所述微孔层的原料为：45～55％二氧化硅溶胶、35～42％聚乙烯醇、1～3％交联剂以及8～11％活性炭黑。
优选地，所述聚乙烯醇的重均分子量为18～20万，其中所述重均分子量可 以是18万、18.5万、19万、19.5万或20万等，但不仅限于所列举的数值，该 数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述交联剂为二缩二乙二醇。
本发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述的气体扩散层的制备方 法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将强酸加入硅源和溶剂的混合液进行第一混合，向得到的混合液中加 入弱碱，得到二氧化硅溶胶；
(2)将步骤(1)所述的二氧化硅溶胶、聚乙烯醇和交联剂进行第二混合， 再加入活性炭黑进行第三混合，得到复合凝胶；
(3)将步骤(2)所述复合凝胶涂覆在基体层表面，经过干燥、固化得到 气体扩散层。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述硅源和溶剂的质量比为： (20～30)：(70～80)，其中所述质量比可以是20:80、21:79、22:78、23:77、24:76、 25:75、26:74、27:73、28:72、29:71或30:70等，但不仅限于所列举的数值，该 数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为(23～27)：(73～77)。
优选地，所述硅源包括正硅酸四乙酯。
优选地，所述溶剂包括无水乙醇。
优选的，步骤(1)所述强酸包括盐酸、硝酸或硫酸中的任意一种或至少两 种的组合，所述组合典型但非限制性实例有盐酸和硝酸的组合、盐酸和硫酸的 组合或硝酸和硫酸的组合等。
优选地，步骤(1)所述强酸的浓度为10～20wt％，所述浓度可以是10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％ 或20wt％等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样 适用，进一步优选为12～18wt％。
优选地，步骤(1)所述弱碱包括氨水。
优选地，步骤(1)所述弱碱的浓度为5～10wt％，其中所述弱碱的浓度可 以是5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％等，但不仅限于所列举的 数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为6～8wt％。
作为本发明优选的技术方案，所述第一混合的搅拌速率为30～3000r/min， 所述速率可以是30r/min、200r/min、400r/min、600r/min、800r/min、1000r/min、 1200r/min、1400r/min、1600r/min、1800r/min、2000r/min、2200r/min、2400 r/min、2600r/min、2800r/min或3000r/min等，但不仅限于所列举的数值，该 数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第一混合的搅拌时间为1～100h，所述时间可以是1h、5h、10h、 15h、20h、25h、30h、35h、40h、45h、50h、55h、60h、65h、70h、75h、80h、 85h、90h、95h或100h等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列 举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述混合液的pH为5～6，其中所述pH可以是5、5.1、 5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9或6等，但不仅限于所列举的数值，该 数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为5.3～5.7。
优选地，步骤(1)所述二氧化硅溶胶的pH为7.5～8.2，进一步优选为7.7～8.0。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述第二混合的搅拌速率为 30～3000r/min，所述速率可以是30r/min、200r/min、400r/min、600r/min、800 r/min、1000r/min、1200r/min、1400r/min、1600r/min、1800r/min、2000r/min、2200r/min、2400r/min、2600r/min、2800r/min或3000r/min等，但不仅限于 所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选的，步骤(2)所述第二混合的搅拌时间为1～100h，所述时间可以是 1h、5h、10h、15h、20h、25h、30h、35h、40h、45h、50h、55h、60h、65h、 70h、75h、80h、85h、90h、95h或100h等，但不仅限于所列举的数值，该数 值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选的，步骤(2)所述第三混合的混合方式为超声混合。
优选地，所述超声混合的频率为80～120kHz，其中所述频率可以是80kHz、 85kHz、90kHz、95kHz、100kHz、105kHz、110kHz、115kHz或120kHz等， 但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步 优选为90～110kHz。
优选地，所述超声混合的功率密度为1.5-3.5W/cm2，其中所述功率密度可 以是1.5W/cm2、2W/cm2、2.5W/cm2、3W/cm2或3.5W/cm2等，但不仅限于所 列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为2～3 W/cm2。
优选地，所述超声混合的时间为20～75min，其中所述时间可以是20min、 25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min、65min、 70min或75min等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数 值同样适用，进一步优选为40～60min。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述固化的温度为500～700℃，其 中所述温度可以是500℃、525℃、550℃、575℃、600℃、625℃、650℃、675℃ 或700℃等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样 适用，进一步优选为550～650℃。
优选地，所述固化的时间为5～10h，所述时间可以是5h、6h、7h、8h、9 h或10h等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样 适用，进一步优选为6～8h。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将浓度为10～20wt％的强酸加入质量比为(20～30)：(70～80)的正硅 酸四乙酯和乙醇的混合液进行搅拌速率为30～3000r/min的第一混合，混合 1～100h(时间)，得到pH为5～6的第一混合液，再加入浓度为5～10wt％的弱碱， 得到pH为7.5～8.2的二氧化硅溶胶；
(2)将步骤(1)所述的二氧化硅溶胶、聚乙烯醇和交联剂进行搅拌速率 为30～3000r/min的第二混合，混合1～100h，再加入活性炭黑进行频率为80～120 kHz、功率密度为1.5-3.5W/cm2的超声混合，混合20～75min，得到复合凝胶；
(3)将步骤(2)所述复合凝胶涂覆在基体层表面，经过干燥、温度为 500～700℃的固化5～10h得到气体扩散层。
本发明的目的之三在于提供一种如目的之一所述的燃料电池气体扩散层的 应用，所述气体扩散层应用于质子交换膜燃料电池。
优选地，所述燃料电池还包括质子膜交换层和催化层。
本发明的目的之四在于提供一种如目的之三所述的质子交换燃料电池的应 用，所述质子交换膜燃料电池应用于燃料电池汽车领域。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明中微孔层用于气体扩散层可以提高气体扩散层的粗糙度和接触角， 其中接触角可以达到170℃，从而提高气体扩散层的疏水性能，气体扩散层用 于质子交换膜燃料电池能够提高燃料电池的电化学性能。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。但下述的实例仅 仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保 护范围以权利要求书为准。
实施例1
本实施例提供一种气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：
(1)将质量比为20:80的正硅酸四乙酯和无水乙醇的混合溶液加入容器内， 加入浓度为10wt％盐酸醇溶液调节pH值为5，再加入浓度为5wt％氨水醇溶液 调节pH为7.5，制得二氧化硅溶胶。
(2)将步骤(1)制得的二氧化硅溶胶与聚乙烯醇、交联剂1500r/min混合 50h均匀，加入活性炭黑，超声分散，制得复合凝胶；交联剂为二缩二乙二醇； 超声分散的超声频率为80kHz，功率密度为1.5W/cm2，时间为60min；其中， 二氧化硅溶胶45wt％、聚乙烯醇42wt％、交联剂2wt％和活性炭黑11wt％。
(3)将步骤(2)制得的复合凝胶涂敷在基层表面，涂层厚度50μm，通过 渗透与基层紧密结合，然后送入超临界装置中进行超临界干燥，再高温烧结碳 化，制得耐久性燃料电池气体扩散层；基层为碳纤维纸；渗透的时间为10h； 烧结碳化的温度为500℃，时间为8h。
实施例2
本实施例提供一种气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：
(1)将质量比为23:77的正硅酸四乙酯和无水乙醇加入容器内，加入浓度 为12％的盐酸醇溶液调节pH值为5.5，再加入浓度为7％的氨水醇溶液调节pH 为8.0，制得二氧化硅溶胶。
(2)将步骤(1)制得的二氧化硅溶胶与聚乙烯醇、交联剂30r/min混合 100h均匀，加入活性炭黑，超声分散，制得复合凝胶；交联剂为二缩二乙二醇； 超声分散的超声频率为120kHz，功率密度为2W/cm2，时间为40min；其中， 二氧化硅溶胶55wt％、聚乙烯醇35wt％、交联剂1wt％和活性炭黑9wt％。
(3)将步骤(2)制得的复合凝胶涂敷在基层表面，涂层厚度50μm，通过 渗透与基层紧密结合，然后送入超临界装置中进行超临界干燥，再高温烧结碳 化，制得耐久性燃料电池气体扩散层；基层为碳纤维纸；渗透的时间为14h； 烧结碳化的温度为600℃，时间为7h。
实施例3
本实施例提供一种气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：
(1)将质量比为25:75的正硅酸四乙酯和无水乙醇加入容器内，加入浓度 为18％的盐酸醇溶液调节pH值为5.3，再加入浓度为8％的氨水醇溶液调节pH 为7.9，制得二氧化硅溶胶。
(2)将步骤(1)制得的二氧化硅溶胶与聚乙烯醇、交联剂3000r/min混合 1h均匀，加入活性炭黑，超声分散，制得复合凝胶；交联剂为二缩二乙二醇； 超声分散的超声频率为90kHz，功率密度为2.5W/cm2，时间为50min；其中， 二氧化硅溶胶41wt％、聚乙烯醇45wt％、交联剂2wt％和活性炭黑11wt％。
(3)将步骤(2)制得的复合凝胶涂敷在基层表面，涂层厚度50μm，通过 渗透与基层紧密结合，然后送入超临界装置中进行超临界干燥，再高温烧结碳 化，制得耐久性燃料电池气体扩散层；基层为碳纤维织布；渗透的时间为13h； 烧结碳化的温度为550℃，时间为10h。
实施例4
本实施例提供一种气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：
(1)将质量比为27:73的正硅酸四乙酯和无水乙醇加入容器内，加入浓度 为15％的盐酸醇溶液调节pH值为5.7，再加入浓度为6％的氨水醇溶液调节pH 为8.2，制得二氧化硅溶胶。
(2)将步骤(1)制得的二氧化硅溶胶与聚乙烯醇、交联剂1000r/min混合 70h均匀，加入活性炭黑，超声分散，制得复合凝胶；交联剂为二缩二乙二醇； 超声分散的超声频率为110kHz，功率密度为3W/cm2，时间为20min；其中，二 氧化硅溶胶60wt％、聚乙烯醇32wt％、交联剂1wt％和活性炭黑8wt％。
(3)将步骤(2)制得的复合凝胶涂敷在基层表面，涂层厚度50μm，通过 渗透与基层紧密结合，然后送入超临界装置中进行超临界干燥，再高温烧结碳 化，制得耐久性燃料电池气体扩散层；基层为碳纤维织布；渗透的时间为15h； 烧结碳化的温度为650℃，时间为6h。
实施例5
本实施例提供一种气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：
(1)将质量比为30:70的正硅酸四乙酯和无水乙醇的混合溶液加入容器内， 加入浓度为20wt％盐酸醇溶液调节pH值为6，再加入浓度为10wt％氨水醇溶液 调节pH为7.7，制得二氧化硅溶胶。
(2)将步骤(1)制得的二氧化硅溶胶与聚乙烯醇、交联剂2000r/min混合 30h均匀，加入活性炭黑，超声分散，制得复合凝胶；交联剂为二缩二乙二醇； 超声分散的超声频率为100kHz，功率密度为3.5W/cm2，时间为75min；其中， 二氧化硅溶胶47wt％、聚乙烯醇38wt％、交联剂3wt％和活性炭黑12wt％。
(3)将步骤(2)制得的复合凝胶涂敷在基层表面，涂层厚度50μm，通过 渗透与基层紧密结合，然后送入超临界装置中进行超临界干燥，再高温烧结碳 化，制得耐久性燃料电池气体扩散层；基层为碳纤维纸；渗透的时间为10h； 烧结碳化的温度为700℃，时间为5h。
实施例6
本实施例中将步骤(2)中的交联剂二缩二乙二醇替换为一缩二乙二醇，其 他条件均与实施例1相同。
实施例7
本实施例中将步骤(2)中的交联剂二缩二乙二醇替换为季戊四醇，其他条 件均与实施例1相同。
实施例8
本实施例中将步骤(2)中的交联剂二缩二乙二醇替换为二亚乙基三胺，其 他条件均与实施例1相同。
实施例9
将硅源与溶剂的质量比替换为27:73，其他条件均与实施例1相同。
实施例10
将硅源与溶剂的质量比换为23:77，其他条件均与实施例1相同。
实施例11
将二氧化硅溶胶45wt％、聚乙烯醇42wt％、交联剂2wt％和活性炭黑11wt％ 替换为41wt％、聚乙烯醇45wt％、交联剂2wt％和活性炭黑11wt％。其他条件 均与实施例1相同。
实施例12
将二氧化硅溶胶45wt％、聚乙烯醇42wt％、交联剂2wt％和活性炭黑11wt％ 替换为60wt％、聚乙烯醇32wt％、交联剂1wt％和活性炭黑8wt％，其他条件均 与实施例1相同。
实施例13
将步骤(2)中二氧化硅溶胶与聚乙烯醇和交联剂的混合速率改为 3500r/min，其他条件均与实施例1相同。
实施例14
将步骤(2)中二氧化硅溶胶与聚乙烯醇和交联剂的混合时间改为110h，其 他条件均与实施例1相同。
对比例1
本对比例将活性炭黑替换为石墨烯，其他条件均与实施例1相同。
对比例2
本对比例将活性炭黑替换为氧化石墨烯，其他条件均与实施例1相同。
对比例3
本对比例将活性炭黑替换为焦炭，其他条件均与实施例1相同。
对实施例1-14和对比例1-3进行接触角测试，所述接触角采用DSA25型接 触角测试仪进行测试。
其测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003303317690000121
Figure BDA0003303317690000131
通过上述结果可以得到，实施例1-5与实施例6-8相比，将本发明中的交联 剂替换掉，接触角有了下降，说明本发明中所使用的交联剂可以制备具有最佳 接触角的气体扩散层。实施例1与实施例9和实施例10相比，将硅源和溶剂的 比例进行调整后得到更加的接触角。实施例1与实施例11和实施例12相比说 明微孔层原料优选的范围可以得到接触角更佳的微孔层。实施例1与实施例13 和实施例14可以看到混合的速率和时间对接触角的影响很大。对比例1-3与实 施例1相比，将活性炭黑换成其他的材料，可以观察到，本发明中活性炭黑能 够得到最佳接触角的气体扩散层。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本 发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构 特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对 本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落 在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层包括基体层和位于基体层表面的微孔层；
所述微孔层的制备原料包括：二氧化硅溶胶、聚乙烯醇、交联剂以及活性炭黑。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述基体层为碳纤维纸层；
优选地，按照质量分数计所述微孔层的原料为：41～60％二氧化硅溶胶、32～45％聚乙烯醇、1～3％交联剂以及7～12％活性炭黑；
优选地，按照质量分数计所述微孔层的原料为：45～55％二氧化硅溶胶、35～42％聚乙烯醇、1～3％交联剂以及8～11％活性炭黑；
优选地，所述聚乙烯醇的重均分子量为18～20万；
优选地，所述交联剂为二缩二乙二醇。
3.一种根据权利要求1或2所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将强酸加入硅源和溶剂的混合液进行第一混合，向得到的混合液中加入弱碱，得到二氧化硅溶胶；
(2)将步骤(1)所述的二氧化硅溶胶、聚乙烯醇和交联剂进行第二混合，再加入活性炭黑进行第三混合，得到复合凝胶；
(3)将步骤(2)所述复合凝胶涂覆在基体层表面，经过干燥、固化得到气体扩散层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述硅源和溶剂的质量比为：(20～30)：(70～80)，进一步优选为(23～27)：(73～77)；
优选地，所述硅源包括正硅酸四乙酯；
优选地，所述溶剂包括无水乙醇；
优选的，步骤(1)所述强酸包括盐酸、硝酸或硫酸中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)所述强酸的浓度为10～20wt％，进一步优选为12～18wt％；
优选地，步骤(1)所述弱碱包括氨水；
优选地，步骤(1)所述弱碱的浓度为5～10wt％，进一步优选为6～8wt％。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述第一混合的搅拌速率为30～3000r/min；
优选地，所述第一混合的搅拌时间为1～100h；
优选地，步骤(1)所述混合液的pH为5～6，进一步优选为5.3～5.7；
优选地，步骤(1)所述二氧化硅溶胶的pH为7.5～8.2，进一步优选为7.7～8.0。
6.根据权利要求3-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述第二混合的搅拌速率为30～3000r/min；
优选的，步骤(2)所述第二混合的搅拌时间为1～100h；
优选的，步骤(2)所述第三混合的混合方式为超声混合；
优选地，所述超声混合的频率为80～120kHz，进一步优选为90～110kHz；
优选地，所述超声混合的功率密度为1.5-3.5W/cm2，进一步优选为2～3W/cm2；
优选地，所述超声混合的时间为20～75min，进一步优选为40～60min。
7.根据权利要求3-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述固化的温度为500～700℃，进一步优选为550～650℃；
优选地，所述固化的时间为5～10h，进一步优选为6～8h。
8.根据权利要求3-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将浓度为10～20wt％的强酸加入质量比为(20～30)：(70～80)的正硅酸四乙酯和乙醇的混合液进行搅拌速率为30～3000r/min的第一混合，混合1～100h(时间)，得到pH为5～6的第一混合液，再加入浓度为5～10wt％的弱碱，得到pH为7.5～8.2的二氧化硅溶胶；
(2)将步骤(1)所述的二氧化硅溶胶、聚乙烯醇和交联剂进行搅拌速率为30～3000r/min的第二混合，混合1～100h，再加入活性炭黑进行频率为80～120kHz、功率密度为1.5-3.5W/cm2的超声混合，混合20～75min，得到复合凝胶；
(3)将步骤(2)所述复合凝胶涂覆在基体层表面，经过干燥、温度为500～700℃的固化5～10h得到气体扩散层。
9.一种根据权利要求1或2所述的气体扩散层的应用，其特征在于，所述气体扩散层应用于质子交换膜燃料电池；
优选地，所述燃料电池还包括质子膜交换层和催化层。
10.一种根据权利要求9所述的质子交换膜燃料电池的应用，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池应用于燃料电池汽车领域。
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