CN114005993A - 一种气体扩散层及其制备方法与燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气体扩散层及其制备方法与燃料电池，所述气体扩散层包括层叠设置的纤维骨架层和多孔层；所述多孔层包括间隔分布的透气材料和导水材料。本发明提供的气体扩散层由纤维材料作为骨架层支撑，通过在平面上交错分布排列的透气材料和导水材料作为多孔层，可以同步双极板设计进行定制化开发，其生产工艺简单、可实现与双极板流场形状匹配的定制化开发生产，缩短工艺开发时间，节约生产制备成本，改善了膜电极水淹、反应气传递不均匀和燃料电池气阻大等问题。

Description

一种气体扩散层及其制备方法与燃料电池
技术领域
本发明属于氢燃料电池技术领域，涉及一种气体扩散层，尤其涉及一种气体扩散层及其制备方法与燃料电池。
背景技术
燃料电池以氢气为阳极，空气或氧气为阴极，具有较高的能量转化效率、较长的使用寿命、反应条件温和以及对环境友好等特点，被誉为最有发展前途的发电技术，特别是在汽车动力、移动电源等方面具有广泛的应用前景。气体扩散层是燃料电池膜电极的重要组成部分，起到气体和水分管理的作用。既要保证质子交换膜水分充足，同时，为防止水淹又能够及时的及时排出生成水分。在实际燃料电池运行中，双极板流道与气体扩散层的扩孔基底侧直接接触压合，双极板脊下对应的气体扩散层由于直接受到来自双极板的压力，孔隙率明显比流道下对应的气体扩散层要小，容易造成水淹。
CN 113178583A公开了一种改性复合气体扩散层的制备方法和应用，应用改性石墨烯复合材料喷涂于碳纸表面，提高了碳纸的导电性和疏水性。但材料未对功能区进行详细划分，不能对电堆内部进行水-气管理，因此不能从根本上解决膜电极水淹及膜电极寿命问题。
CN 112609452A公开了一种气体扩散层材料及其制备方法，通过制备工艺得到保证燃料电池性能的气体扩散层。但对浆液涂覆工艺没有详细要求，缺少气体扩散层微孔处理层的制备处理过程。
CN 107507983A公开了一种疏水性梯度变化的扩散层及其制备方法与应用，所述疏水性梯度变化的扩散层包括多孔基材和微孔层，所述多孔基材上带有垂直疏水层，所述微孔层的微孔上带有疏水性呈梯度变化的平行疏水层，但处理步骤复杂，疏水性梯度难以在实际操作中实现，且未考虑双极板脊下气体扩散层的水分积聚问题。
针对以上问题，亟需开发一种能够改善膜电极水淹和反应气传递不均匀等问题的气体扩散层。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种气体扩散层及其制备方法与燃料电池，通过混合不同配方量的组分制备得到具有高透气和高导水特性的两种材料，将两种材料交错分布形成的多孔层作为气体扩散层的辅料，与纤维骨架层组成气体扩散层的新型结构，解决了燃料电池工作中的膜电极水淹和反应气传递不均匀的问题，降低了燃料电池的气阻，可实现与双极板流场形状匹配的定制化开发生产，缩短工艺开发时间，节约生产制备成本。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种气体扩散层，所述气体扩散层包括层叠设置的纤维骨架层和多孔层；
所述多孔层包括间隔分布的透气材料和导水材料。
本发明提供的气体扩散层由纤维材料作为骨架层支撑，通过在平面上交错分布排列的透气材料和导水材料作为多孔层。透气材料分布对应于双极板的气道部位，快速及时向膜电极通入反应气，同时有助于反应气的均匀扩散，提高电池效率。导水材料的分布对应于双极板的脊下部位，改善了由于脊下气体扩散层中的水分聚集、难以及时排除的问题，减少了膜电极水淹的产生，提高了电池使用寿命。区别于传统的燃料电池结构，本发明提供的气体扩散层可实现与双极板流场形状匹配的定制化开发生产。
优选地，所述纤维骨架层包括石墨化碳纤维。
优选地，所述纤维骨架层为经过改性处理的纤维骨架层，所述改性处理包括依次进行的浸胶处理和高温固化。
优选地，所述纤维骨架层还包括由石墨化纤维搭建而成的孔隙区。
优选地，所述纤维骨架层的孔隙率为75-95％，例如可以是75％、80％、85％、90％或95％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述透气材料的制备原料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂。
优选地，所述导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为(2-5):(1-2):(3-5):(0.1-0.5):(0.2-1)，例如可以是2:1:3:0.1:0.2、5:2:5:0.5、3:1.5:4:0.3:0.5、5:1:3:0.5:0.2或5:1:5:0.1:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述导电剂包括导电炭黑、石墨烯、乙炔黑或碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括导电炭黑和石墨烯的组合，导电炭黑和乙炔黑的组合，导电炭黑和碳纳米管的组合，石墨烯和乙炔黑的组合，乙炔黑和碳纳米管的组合，导电炭黑、石墨烯和乙炔黑的组合，石墨烯、乙炔黑与碳纳米管的组合，或导电炭黑、石墨烯、乙炔黑与碳纳米管的组合。
优选地，所述疏水剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯三氟乙烯、四氯乙烯-乙烯共聚物或四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合聚四氟乙烯与聚偏氟乙烯的组合，聚偏氟乙烯与聚氯三氟乙烯的组合，聚氯三氟乙烯与四氯乙烯-乙烯共聚物的组合，四氯乙烯-乙烯共聚物与四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物的组合，聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯与聚氯三氟乙烯的组合，聚氯三氟乙烯、四氯乙烯-乙烯共聚物与四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物的组合，或聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯三氟乙烯、四氯乙烯-乙烯共聚物与四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物的组合。
优选地，所述有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、甲醇、乙醇、丙酮、环乙烷、乙酸乙酯、三乙醇胺、异丙醇或正丁醇中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括N-甲基吡咯烷酮与甲醇的组合，甲醇与乙醇的组合，乙醇与丙酮的组合，丙酮与环乙烷的组合，环乙烷与乙酸乙酯的组合，乙酸乙酯与三乙醇胺的组合，三乙醇胺与异丙醇的组合，异丙醇与正丁醇的组合，N-甲基吡咯烷酮、甲醇与乙醇的组合，丙酮、环乙烷、乙酸乙酯与三乙醇胺的组合，或环乙烷、乙酸乙酯、三乙醇胺、异丙醇与正丁醇的组合。
优选地，所述造孔剂包括碳酸氢铵、氯化铵、碳酸铵或氮化硅中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括碳酸氢铵与氯化铵的组合，氯化铵与碳酸铵的组合，碳酸铵与氮化硅的组合，碳酸氢铵、氯化铵与碳酸铵的组合，氯化铵、碳酸铵与氮化硅的组合，或碳酸氢铵、氯化铵、碳酸铵与氮化硅的组合。
优选地，所述分散剂包括聚乙烯醇、氧化聚乙烯均聚物、乙烯－丙烯酸共聚物或乙烯－醋酸乙烯共聚物中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括聚乙烯醇与氧化聚乙烯均聚物的组合，氧化聚乙烯均聚物与乙烯－丙烯酸共聚物的组合，乙烯－丙烯酸共聚物与乙烯－醋酸乙烯共聚物的组合，聚乙烯醇、氧化聚乙烯均聚物与乙烯－丙烯酸共聚物的组合，氧化聚乙烯均聚物、乙烯－丙烯酸共聚物与乙烯－醋酸乙烯共聚物的组合，或聚乙烯醇、氧化聚乙烯均聚物、乙烯－丙烯酸共聚物与乙烯－醋酸乙烯共聚物的组合。
优选地，所述透气材料的厚度为10-50μm，例如可以是10μm、20μm、30μm、40μm或50μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述导水材料的制备原料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂。
优选地，所述导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为(0.5-5):(0.5-3):(3-5):(0.1-0.5):(0.3-0.5)，例如可以是0.5:0.5:3:0.1:0.3、5:3:5:0.5:0.5、2:2:4:0.3:0.4、0.5:3:3:0.5:0.3或5:0.5:5:0.1:0.5，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述导电剂包括导电炭黑、石墨烯、乙炔黑、碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括导电炭黑和石墨烯的组合，导电炭黑和乙炔黑的组合，导电炭黑和碳纳米管的组合，石墨烯和乙炔黑的组合，乙炔黑和碳纳米管的组合，导电炭黑、石墨烯和乙炔黑的组合，石墨烯、乙炔黑与碳纳米管的组合，或导电炭黑、石墨烯、乙炔黑与碳纳米管的组合。
优选地，所述疏水剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯三氟乙烯、四氯乙烯-乙烯共聚物或四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合聚四氟乙烯与聚偏氟乙烯的组合，聚偏氟乙烯与聚氯三氟乙烯的组合，聚氯三氟乙烯与四氯乙烯-乙烯共聚物的组合，四氯乙烯-乙烯共聚物与四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物的组合，聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯与聚氯三氟乙烯的组合，聚氯三氟乙烯、四氯乙烯-乙烯共聚物与四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物的组合，或聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯三氟乙烯、四氯乙烯-乙烯共聚物与四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物的组合。
优选地，所述有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、甲醇、乙醇、丙酮、环乙烷、乙酸乙酯、三乙醇胺、异丙醇或正丁醇中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括N-甲基吡咯烷酮与甲醇的组合，甲醇与乙醇的组合，乙醇与丙酮的组合，丙酮与环乙烷的组合，环乙烷与乙酸乙酯的组合，乙酸乙酯与三乙醇胺的组合，三乙醇胺与异丙醇的组合，异丙醇与正丁醇的组合，N-甲基吡咯烷酮、甲醇与乙醇的组合，丙酮、环乙烷、乙酸乙酯与三乙醇胺的组合，或环乙烷、乙酸乙酯、三乙醇胺、异丙醇与正丁醇的组合。
优选地，所述造孔剂包括碳酸氢铵、氯化铵、碳酸铵或氮化硅中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括碳酸氢铵与氯化铵的组合，氯化铵与碳酸铵的组合，碳酸铵与氮化硅的组合，碳酸氢铵、氯化铵与碳酸铵的组合，氯化铵、碳酸铵与氮化硅的组合，或碳酸氢铵、氯化铵、碳酸铵与氮化硅的组合。
优选地，所述分散剂包括聚乙烯醇、氧化聚乙烯均聚物、乙烯－丙烯酸共聚物或乙烯－醋酸乙烯共聚物中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括聚乙烯醇与氧化聚乙烯均聚物的组合，氧化聚乙烯均聚物与乙烯－丙烯酸共聚物的组合，乙烯－丙烯酸共聚物与乙烯－醋酸乙烯共聚物的组合，聚乙烯醇、氧化聚乙烯均聚物与乙烯－丙烯酸共聚物的组合，氧化聚乙烯均聚物、乙烯－丙烯酸共聚物与乙烯－醋酸乙烯共聚物的组合，或聚乙烯醇、氧化聚乙烯均聚物、乙烯－丙烯酸共聚物与乙烯－醋酸乙烯共聚物的组合。
优选地，所述导水材料的厚度为25-100μm，例如可以是25μm、40μm、60μm、80μm或100μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明通过调整混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比，制备得到具有高透气性和高导水性两种材料，当质量比为(2-5):(1-2):(3-5):(0.1-0.5):(0.2-1)，疏水剂与导电剂添加比例降低，多孔层面密度降低导致材料的透气性效果显著；当质量比为(0.5-5):(0.5-3):(3-5):(0.1-0.5):(0.3-0.5)，材料疏水剂比例增大，导电剂比例与分散剂比例降低，材料的导水性能更加突出。
优选地，所述气体扩散层的面密度为30-60g/cm2，例如可以是30g/cm2、40g/cm2、45g/cm2、50g/cm2或60g/cm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供了一种根据第一方面所述气体扩散层的制备方法，所述制备方法包括：
(1)固定纤维骨架层，得到骨架层；
(2)在步骤(1)所得骨架层上印刷导水材料，得到复合层；
(3)在步骤(2)所得复合层上印刷透气材料，得到气体扩散层。
本发明提供了多孔层的配方及制备方法，可以同步双极板设计进行定制化开发，其生产工艺简单、可实现与双极板流场形状匹配的定制化开发生产，缩短工艺开发时间，节约生产制备成本。
优选地，步骤(2)所述导水材料由如下方法制备得到：
按配方量混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂，60-120r/min搅拌4-6h，制备浆液；20-30℃下，以不超过60r/min的转速搅拌所得浆液不超过2h，得到所述导水材料。
优选地，步骤(3)所述透气材料由如下方法制备得到：
按配方量混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂，60-120r/min搅拌3-5h，制备浆液；20-30℃下，以不超过60r/min的转速搅拌所得浆液不超过2h，得到所述透气材料。
优选地，步骤(2)所述印刷包括将导水材料刮涂在纤维骨架层上，并真空烘干；
优选地，所述刮涂的次数为1-10次，例如可以是1次、3次、5次、7次、9次或10次，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述真空烘干的温度为95-115℃，例如可以是95℃、100℃、105℃、110℃或115℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述印刷包括将透气材料刮涂在复合层上，并真空烘干和烧结。
优选地，所述刮涂的次数为1-6次，例如可以是1次、2次、3次、5次或6次，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述真空烘干的温度为95-115℃，例如可以是95℃、100℃、105℃、110℃或115℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述烧结的温度为340-360℃，例如可以是340℃、345℃、350℃、355℃或360℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述烧结的时间为1-3h，例如可以是1h、1.5h、2h、2.5h或3h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述烧结在氮气和/或惰性气体的气氛下进行。
第三方面，本发明提供了一种燃料电池，所述燃料电池包括如第一方面所述的气体扩散层。
由以上技术方案，本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的气体扩散层由纤维材料作为骨架层支撑，通过在平面上交错分布排列的透气材料和导水材料作为多孔层，改善了膜电极水淹、反应气传递不均匀和燃料电池气阻大等问题；
(2)本发明通过调整混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比，制备得到具有高透气性和高导水性两种材料；
(3)本发明提供了不同的多孔层的配方及制备方法，可以同步双极板设计进行定制化开发，其生产工艺简单、可实现与双极板流场形状匹配的定制化开发生产，缩短工艺开发时间，节约生产制备成本。
附图说明
图1是本发明提供的导水材料的印刷示意图。
图2是本发明提供的透气材料的印刷示意图。
其中，1-导水材料浆液上料池，2-导水材料层，3-纤维骨架层，4-导水材料层丝网印刷版，5-透气材料浆液上料池，6-透气材料层丝网印刷版，7-透气材料层。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式对本发明进一步详细说明。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。
本发明提供的多孔层中导水材料和透气材料的印刷分别如图1和图2所示。固定导水材料层丝网印刷版4到待印刷的纤维骨架层3上，注入导水材料至导水材料浆液上料池1中，进行印刷，得到导水材料层2。印刷完成后将含有导水材料的纤维骨架层3与透气材料层丝网印刷版6固定，注入透气材料至透气材料浆液上料池5中，进行印刷，得到透气材料层7。
实施例1
本实施例提供了一种气体扩散层，气体扩散层面密度为55g/cm2，所述气体扩散层包括层叠设置的短碳纤维骨架层和多孔层；所述短碳纤维骨架层的孔隙率为80％，所述多孔层包括交错分布的透气材料和导水材料。
所述导水材料的厚度为62μm，所述透气材料的厚度为44μm。
所述气体扩散层的制备方法包括如下步骤：
(1)采用短碳纤维材料进行混料，经过铺平、疏水、固化和固定纤维骨架层，得到骨架层；
(2)在将导水材料分成8次刮涂在步骤(1)所得骨架层上，并105℃下进行真空烘干，得到复合层；
(3)在将透水材料分成6次刮涂在步骤(1)所得复合层上，并105℃下真空烘干和350℃烧结2h，得到气体扩散层。
其中，步骤(2)所述导水材料由如下方法制备得到：按质量比为3:2.5:3:0.5:0.5混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂，90r/min搅拌5h，制备浆液；25℃下，以30r/min搅拌所得浆液2h，得到所述导水材料。
步骤(3)所述透气材料由如下方法制备得到：按质量比为2:2:3:0.5:0.5混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂，90r/min搅拌4h，制备浆液；25℃下，以30r/min搅拌所得浆液2h，得到所述透气材料。
所述导电剂为以质量比为1:1的石墨烯与导电炭黑；所述疏水剂为聚四氟乙烯(大金氟化工，D210C)；所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮；所述造孔剂为碳酸氢铵；所述分散剂为乙烯－醋酸乙烯共聚物(阿拉丁生化科技，P301631)。
实施例2
本实施例提供了一种气体扩散层，气体扩散层面密度为30g/cm2，所述气体扩散层包括层叠设置的短碳纤维骨架层和多孔层；所述短碳纤维骨架层的孔隙率为75％，所述多孔层包括交错分布的透气材料和导水材料。
所述导水材料的厚度为100μm；所述透气材料的厚度为50μm。
所述气体扩散层的制备方法包括如下步骤：
(1)采用短碳纤维材料进行混料，经过铺平、疏水、固化和固定纤维骨架层，得到骨架层；
(2)在将导水材料1次刮涂在步骤(1)所得骨架层上，并115℃下进行真空烘干，得到复合层；
(3)在将透水材料1次刮涂在步骤(1)所得复合层上，并115℃下真空烘干和340℃烧结3h，得到气体扩散层。
其中，步骤(2)所述导水材料由如下方法制备得到：按质量比0.5:3:3:0.5:0.3混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂，60r/min搅拌4h，制备浆液；20℃下，以50r/min搅拌所得浆液1.5h，得到所述导水材料；
步骤(3)所述透气材料由如下方法制备得到：按质量比2:2:3:0.5:0.2混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂，60r/min搅拌5h，制备浆液；20℃下，以50r/min搅拌所得浆液1.5h，得到所述透气材料；
所述导电剂为质量比为1:1的乙炔黑和碳纳米管；所述疏水剂为聚偏氟乙烯(美国苏威，1015)；所述有机溶剂为体积比1:1的乙醇和丙酮；所述造孔剂为氯化铵；所述分散剂为聚乙烯醇(上海外电国际，JR-05)。
实施例3
本实施例提供了一种气体扩散层，气体扩散层面密度为60g/cm2，所述气体扩散层包括层叠设置的短碳纤维骨架层和多孔层；所述短碳纤维骨架层的孔隙率为95％，所述多孔层包括交错分布的透气材料和导水材料。
所述导水材料的厚度为25μm，所述透气材料的厚度为10μm。
所述气体扩散层的制备方法包括如下步骤：
(1)采用短碳纤维材料进行混料，经过铺平、疏水、固化和固定纤维骨架层，得到骨架层；
(2)在将导水材料分成10次刮涂在步骤(1)所得骨架层上，并95℃下进行真空烘干，得到复合层；
(3)在将透水材料分成6次刮涂在步骤(1)所得复合层上，并95℃下真空烘干和氮气保护下360℃烧结1h，得到气体扩散层。
其中，步骤(2)所述导水材料由如下方法制备得到：按质量比为5:0.5:5:0.1:0.5混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂，120r/min搅拌6h，制备浆液；30℃下，以60r/min搅拌所得浆液1h，得到所述导水材料。
步骤(3)所述透气材料由如下方法制备得到：按质量比为5:1:5:0.1:1混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂，120r/min搅拌3h，制备浆液；35℃下，以60r/min搅拌所得浆液1h，得到所述透气材料。
所述导电剂为质量比为1:1的乙炔黑和碳纳米管；所述疏水剂为聚偏氟乙烯(美国苏威，1015)；所述有机溶剂为体积比为2:1的乙酸乙酯与三乙醇胺；所述造孔剂为质量比为1:1的碳酸铵与氮化硅；所述分散剂为质量比为1:1的氧化聚乙烯均聚物(霍尼韦尔，AC629)和乙烯－丙烯酸共聚物(美国杜邦，2014)。
实施例4
本实施例提供了一种气体扩散层，除所述导水材料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为0.3:2.5:3:0.5:0.5外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种气体扩散层，除所述导水材料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为5.5:2.5:3:0.5:0.5外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供了一种气体扩散层，除所述导水材料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为3:0.3:3:0.5:0.5外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种气体扩散层，除所述导水材料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为3:3.5:3:0.5:0.5外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供了一种气体扩散层，除所述透气材料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为1.5:2:3:0.5:0.5外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供了一种气体扩散层，除所述透气材料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为5.5:2:3:0.5:0.5外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
实施例10
本实施例提供了一种气体扩散层，除所述透气材料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为3:0.5:3:0.5:0.5外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
实施例11
本实施例提供了一种气体扩散层，除所述透气材料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为3:2.5:3:0.5:0.5外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种气体扩散层，除不含有导水材料外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供了一种气体扩散层，除不含有透气材料外，其余组分与制备方法均与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供了一种气体扩散层，气体扩散层面密度为55g/cm2，所述气体扩散层包括层叠设置的石墨化碳纤维骨架层和多孔层；所述石墨化碳纤维骨架层的孔隙率为80％，所述多孔层包括层叠设置的透气材料层和导水材料层。材料组份与制备方法与实施例1相同。
对实施例1-11与对比例1-3得到的气体扩散层组装同一批次CCM组成一个125mm*280mm膜电极(膜电极有效面积350cm2)，并组装单电池进行测试。恒电流法在以单电池测试台上测试单电池功率密度，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003323780070000141
Figure BDA0003323780070000151
由表1可知：
(1)由实施例1-3可知，本发明提供的气体扩散层由纤维材料作为骨架层支撑，通过在平面上交错分布排列的透气材料和导水材料作为多孔层，改善了膜电极水淹和反应气传递不均匀等问题，制备得到燃料电池气阻小，电池功率强。
(2)由实施例4、5与实施例1的比较可知，当导水材料的组分中导电剂的质量比不为(0.5-5):(0.5-3):(3-5):(0.1-0.5):(0.3-0.5)时，气体扩散层的导水性能差，容易产生水淹，这表明本发明提供的导水材料的组分，有助于改善膜电极水淹和反应气传递不均匀等问题，制备得到燃料电池气阻小，电池功率强。
(3)由实施例6、7与实施例1的比较可知，当导水材料的组分中疏水剂的质量比不为(0.5-5):(0.5-3):(3-5):(0.1-0.5):(0.3-0.5)时，气体扩散层的导水性能差，容易产生水淹，这表明本发明提供的导水材料的组分，有助于改善膜电极水淹和反应气传递不均匀等问题，制备得到燃料电池气阻小，电池功率强。
(4)由实施例8、9与实施例1的比较可知，当透气材料的组分中导电剂的质量比不为(2-5):(1-2):(3-5):(0.1-0.5):(0.2-1)时，气体扩散层的透气性能差，气阻大且电池功率小，这表明本发明提供的透水材料的组分，有助于制备得到燃料电池气阻小，电池功率强。
(5)由实施例10、11与实施例1的比较可知，当透气材料的组分中疏水剂的质量比不为(2-5):(1-2):(3-5):(0.1-0.5):(0.2-1)时，气体扩散层的透气性能差，气阻大且电池功率小，这表明本发明提供的透水材料的组分，有助于制备得到燃料电池气阻小，电池功率强。
(2)由对比例1与实施例1的比较可知，当不添加导水材料时，气体扩散层的导水性能差，容易产生水淹，这表明本发明提供的导水材料，有助于改善膜电极水淹和反应气传递不均匀等问题，制备得到燃料电池气阻小，电池功率强。
(3)由对比例2与实施例1的比较可知，当不添加透气材料时，气体扩散层的透气性能差，气阻大且电池功率小，这表明本发明提供的透水材料，有助于制备得到燃料电池气阻小，电池功率强。
(4)由对比例3与实施例1的比较可知，当改变多孔层的结构时，气体扩散层的透气性能差，气阻大且电池功率小，容易发生水淹，这表明本发明提供多孔层中导水材料与透水材料的交错分布，有助于改善膜电极水淹和反应气传递不均匀等问题，制备得到燃料电池气阻小，电池功率强。
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)

1.一种气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层包括层叠设置的纤维骨架层和多孔层；
所述多孔层包括间隔分布的透气材料和导水材料。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述纤维骨架层包括石墨化碳纤维；
优选地，所述纤维骨架层为经过改性处理的纤维骨架层，所述改性处理包括依次进行的浸胶处理和高温固化；
优选地，所述纤维骨架层的孔隙率为75-95％。
3.根据权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，所述透气材料的制备原料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂；
优选地，所述导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为(2-5):(1-2):(3-5):(0.1-0.5):(0.2-1)；
优选地，所述导电剂包括导电炭黑、石墨烯、乙炔黑、碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述疏水剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯三氟乙烯、四氯乙烯-乙烯共聚物或四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、甲醇、乙醇、丙酮、环乙烷、乙酸乙酯、三乙醇胺、异丙醇或正丁醇中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述造孔剂包括碳酸氢铵、氯化铵、碳酸铵或氮化硅中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述分散剂包括聚乙烯醇、氧化聚乙烯均聚物、乙烯－丙烯酸共聚物或乙烯－醋酸乙烯共聚物中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述透气材料的厚度为10-50μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的气体扩散层，其特征在于，所述导水材料的制备原料包括导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂；
优选地，所述导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂的质量比为(0.5-5):(0.5-3):(3-5):(0.1-0.5):(0.3-0.5)；
优选地，所述导电剂包括导电炭黑、石墨烯、乙炔黑、碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述疏水剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯三氟乙烯、四氯乙烯-乙烯共聚物或四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮、甲醇、乙醇、丙酮、环乙烷、乙酸乙酯、三乙醇胺、异丙醇或正丁醇中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述造孔剂包括碳酸氢铵、氯化铵、碳酸铵或氮化硅中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述分散剂包括聚乙烯醇、氧化聚乙烯均聚物、乙烯－丙烯酸共聚物或乙烯－醋酸乙烯共聚物中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述导水材料的厚度为25-100μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层的面密度为30-60g/cm2。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
(1)固定纤维骨架层，得到骨架层；
(2)在步骤(1)所得骨架层上印刷导水材料，得到复合层；
(3)在步骤(2)所得复合层上印刷透气材料，得到气体扩散层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述导水材料由如下方法制备得到：
按配方量混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂，60-120r/min搅拌4-6h，制备浆液；20-30℃下，以不超过60r/min的转速搅拌所得浆液不超过2h，得到所述导水材料。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述透气材料由如下方法制备得到：
按配方量混合导电剂、疏水剂、有机溶剂、造孔剂和分散剂，60-120r/min搅拌3-5h，制备浆液；20-30℃下，以不超过60r/min的转速搅拌所得浆液不超过2h，得到所述透气材料。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述印刷包括将导水材料刮涂在纤维骨架层上，并真空烘干；
优选地，所述刮涂的次数为1-10次；
优选地，所述真空烘干的温度为95-115℃；
优选地，步骤(3)所述印刷包括将透气材料刮涂在复合层上，并真空烘干和烧结；
优选地，所述刮涂的次数为1-6次；
优选地，所述真空烘干的温度为95-115℃；
优选地，所述烧结的温度为340-360℃；
优选地，所述烧结的时间为1-3h；
优选地，所述烧结在氮气和/或惰性气体的气氛下进行。
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括如权利要求1-5任一项所述的气体扩散层。
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