CN116979067A - 一种复合气体扩散层及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合气体扩散层及其制备方法和应用，包括多孔金属膜和碳膜复合而成；所述多孔金属膜的表面平整，布置有若干个间距均匀的贯穿孔；所述复合气体扩散层通过将所述多孔金属膜和所述碳膜通过粘合的方法复合而成形成的一体化结构。采用本发明技术方案，利用激光刻蚀或机加工在金属膜的表面进行制孔得到表面平整、具有图案化结构的多孔金属膜，再通过粘合的方法与多孔碳膜进行复合得到具有一体化结构的复合气体扩散层，具有操作简单，加工成本低的优点；制备得到的复合气体扩散层，具有良好的水管理能力，气体可以更加快速的向催化层传递，且由其制备得到的燃料电池最大功率密度大幅提升，从而使得电池具有更高的电池性能。

Description

一种复合气体扩散层及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种复合气体扩散层及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于其低污染、高能量转换效率等优点，已被视作下一代清洁能源的候选者之一。而更加高功率密度和耐恶劣环境，以及更小质量、体积、更高的耐久性的PEMFC是人们一直所追求的目标。尽管PEMFC已经取得了很大的进展，但是仍然有许多问题亟待解决。其中PEMFC系统的一个巨大挑战是水管理。必须最大化膜水合程度以确保良好的质子传导性，同时必须去除多余的产品水以防止电极、气体扩散层(GDL)和流场通道溢流。PEMFC可用作小型移动电源和无人机电池等。这些应用要求PEMFC更轻质、耐用、阴极无水淹。电极作为PEMFC系统中的核心部分，所以这也是对电极的要求。

传统的PEMFC电极一般包括质子交换膜、催化层和碳纸(多孔碳膜)，电极是PEMFC系统的核心部位，是反应发生的地方。在传统PEMFC中，上面提到的电极中常常会发生水淹，以及恶劣环境下使得质子交换膜变干。以上这些都会使得电池性能变差，降低电池的功率密度，因此需要重新设计一下电极的结构。

进一步地，传统的PEMFC通常由膜电极、双极板、端板等组成。双极板的主要作用是提供反应物流道、收集电流，为支撑膜电极、分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量。然而，对于传统PEMFC的使用有以下几个缺点：首先，传统PEMFC阴极常常会出现水淹的现象，限制了燃料电池的性能；其次，传统PEMFC所用的双极板通常是石墨板或者是一些金属材料和复合材料。这使得双极板太笨重，不利于燃料电池的实际应用；第三，双极板通常使用石墨板，价格较贵，增加PEMFC的成本；第四，传统PEMFC电流传导需要通过双极板过渡，在这过程中常常会出现损耗。

到现在为止，对于避免电池的水淹以及轻质集电器电池性能的提高并没有很好的技术。本发明提出的多孔金属膜(这里使用的是银箔)和多孔碳膜复合电极可以很好地解决水淹问题；在高功率密度的下质量也较小；同时具有耐恶劣条件的能力，如在阴极风吹和高温下仍可以保持较高的功率密度。现有技术公开的一种新型的平面式轻型集电器(International j ournal of hydrogen energy.2019，44，10071-10081.)的工作中，提出的集电器通过在FR-4基板上制作导电和耐腐蚀薄膜，将金属板和基板结合在一起，同时又将四种不同开孔率的集电器组装成PEMFC，发现开孔率低的电池性能更好。中国发明专利CN114899417A公开了一种燃料电池气体扩散层及其制备方法，所述气体扩散层包括相互连接的支撑层和微孔层；所述支撑层和所述微孔层的材料分别独立地包括多孔金属网；所述微孔层的内部包含憎水涂层，所述憎水涂层贯通所述支撑层。该专利发明采用表面一定厚度不包含憎水涂层的微孔层，实现膜电极在低湿工况下的水管理和提高气体扩散层导电性的目的，同时微孔层和支撑层分别独立地利用不同孔径的多孔金属网，构建梯度孔径结构，利用毛细作用排水，避免了碳材料带来的碳腐蚀问题。支撑层多孔金属网的孔径为20～150μm，微孔层多孔金属网的孔径为1～5μm，所述多孔金属网的材料为金属箔片、金属纤维烧结毡、冲孔网、编织网、拉伸网、激光打孔网、线切割网、粉末冶金网、铸造网、注塑网、泡沫网中的任意一种；多孔金属网的金属材质为镍、钛、铁、金、铂或银中的任意一种或至少两种的组合；该专利通过采用两层多孔金属网进行复合构建的梯度孔径结构，利用毛细作用来进行排水从而实现良好水管理的气体扩散层，同时通过对表面材料进行先电镀再进行憎水处理来避免对基底的导电性的影响。基于毛细作用的原理，对于梯度孔径结构的孔径要求较高，因此对于材料的选择和孔径的处理带来了一定困难。尤其地，两层多空金属网通过压延的方式进行结合，导致层与层之间存在一定的间隙，并不利于燃料电池的气体交换和排水，而对于梯度孔径结构的梯度之间带来的空间大大提高了气体扩散层的电阻，进一步会影响燃料电池的性能。尤其地，该专利采用的延压的方法将两层多空金属网进行挤压，金属网延伸后进行电镀-焊接后将金属网进行复合，但是两者之间依旧存在空隙。

显然，现有的技术尚没有能够实现燃料电池结构简单兼具功率密度高的技术方案。

鉴于此，本发明提供了一种多孔金属膜和多孔碳膜复合电极，其目的在于提高PEMFC的抗水淹能力，减少阴极的水淹，降低电池的质量，降低成本，提高电池性能。该复合电极没有双极板，是多孔银箔，银箔直接和商业碳纸复合制备集流板与扩散层一体化的复合电极。复合电极的使用能够大幅度减少阴极水淹，降低燃料电池的质量，降低成本，提高电池功率密度。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供了一种复合气体扩散层及其制备方法和应用。

为了达到上述目的，本发明提供了一种复合气体扩散层，包括多孔金属膜和碳膜复合而成；所述多孔金属膜的表面平整，布置有若干个间距均匀的贯穿孔；所述复合气体扩散层通过将所述多孔金属膜和所述碳膜通过粘合的方法复合而成形成的一体化结构。

优选地，所述多孔金属膜的孔径为0.2～1.5mm；孔间距为0.2～2.0mm。

优选地，所述多孔金属的厚度为1 0μm。

优选地，所述多孔金属膜包括具有优良导电性且耐腐蚀性良好的材料。

优选地，所述多孔金属膜包括金属箔、石墨、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。

优选地，所述金属箔包括银箔、铜箔、金箔、镍箔、铬箔、钴箔中的任一种或两种的合金。

优选地，所述碳膜包括碳纸、碳纤维编织布、碳纤维非纺材料及碳黑纸中的任一种。

优选地，所述多孔金属膜和所述碳膜采用黏合剂进行粘附复合而成。

为实现另一个目的，本发明还提供了上述复合气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S 1.提供多孔金属膜；

将金属膜通过打孔得到间距分布均匀的贯穿孔，在打孔后上述金属膜表面上涂覆导电银浆，得到表面平整的多孔金属膜；

S2.提供多孔碳膜；

S3.制备一体化气体扩散层

将黏合剂均匀涂覆在所述多孔金属膜的表面，将多孔金属膜平整地粘附在多孔碳膜背面上进行干燥，即得到复合气体扩散层。

优选地，所述打孔的方法包括利用激光打孔法得到。

优选地，所述激光刻蚀通过激光打标机得到。

将上述的气体扩散层制备膜电极：将质子交换膜(DuPont XL)放置在阴阳两极间热压得到。

电池的组装，具体步骤包括：

(1)配置催化剂浆料；将70％Pt/C和5％Nafion溶液(质量比4：1)，水和异丙醇(体积比为1：1)作为溶剂，超声分散成均匀的催化剂浆料，使得Pt的负载量为0.5mg·cm^-2。

(2)负载催化层；将通过步骤(1)制备的催化剂浆料喷涂在复合气体扩散层的微孔层上。

(3)烘干；将负载有催化剂的复合气体扩散层烘干得到负载有催化层的气体扩散层。

(4)膜电极的制备；将质子交换膜置于上述的两个复合气体扩散层之间，进行热压得到上述膜电极。

将上述的膜电极组件封装在电池壳内，组装成电池。

本发明所获得的有益技术效果：

1.采用本发明技术方案，利用激光打孔的方法在金属膜的表面进行制孔得到表面平整、具有图案化结构的多孔金属膜，再通过粘合的方法与多孔碳膜进行复合得到具有一体化结构的复合气体扩散层，具有操作简单，加工成本低的优点；制备得到的复合气体扩散层，具有良好的水管理能力，气体可以更加快速的向催化层传递，且由其制备得到的燃料电池最大功率密度大幅提升，从而使得电池具有更高的电池性能。

2.采用本发明技术方案，在复合气体扩散层表面负载催化剂层，大大降低了膜电极的厚度和质量，不仅能够实现电化学能源转化器件体积的下降，功率密度的提升，且还可以大大降低燃料电池体积，同时保证燃料电池具有优异的气体传输性能和水传输性能。

3.采用本发明技术方案，具有很好的普适性，通过在具有优良导电性能和耐腐蚀性能的金属膜的表面制备的均匀的多孔结构，得到的复合气体扩散层具有良好的导向均匀性，而传统膜电极进行电流传导时需要通过双极板过渡进而导致损耗电流传导，而本发明的复合气体扩散层具有的良好的导电性能，无需再组装双极板，具有工艺简单、原料简单、能耗低的优点，且能够大大降低电池的重量，适宜于大批量生产和推广。

4.采用本发明技术方案，通过具有不同孔径结构的双层膜结构(多孔金属膜+多孔碳膜)，形成具有梯度孔结构：在常温和正常空气流速条件下，水蒸发量较少，使用孔间距较小(孔数量多)的扩散层，使得电池排水量增多，所以电池阴极不出现水淹；在高风速和高温条件下，水蒸发量较多，使用孔间距较大(孔数量较少)的扩散层，使得电池的排水量相对减少，质子交换膜水合程度较高，电池性能较好。

附图说明

图1为本发明实施例1制备复合气体扩散层的流程示意图。

图2为本发明实施例1制备的复合电极的性能测试图。

图3a为本发明实施例1制备的复合气体扩散层的正面扫描电镜(SEM)图。

图3b为本发明实施例1制备的复合气体扩散层的正面扫描电镜(SEM)局部放大图。

图3c为本发明实施例1制备的复合气体扩散层的截面扫描电镜(SEM)图。

图4a为本发明实施例1-4制备的多孔金属膜打孔的孔径对电极方阻的影响图。

图4b为本发明实施例1和实施例5-9制备的多孔金属膜打孔的孔间距对电池性能的影响图。

图5a为本发明实施例1-4制备的多孔金属膜打孔的孔径对电池性能的影响图。

图5b为本发明实施例1和实施例5-9制备的多孔金属膜打孔的孔间距对电池性能的影响图。

图5c为本发明实施例1和实施例5-9制备的多孔金属膜打孔的不同孔间距对金属膜复合电极在各风速下最大功率与初始最大功率的比值随风速的变化图；

图5d为本发明实施例1和实施例5-9制备的多孔金属膜打孔的不同孔间距对多孔银箔复合电极在各温度下最大功率与初始最大功率的比值随温度的变化。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明提供了一种利用多孔金属膜与多孔碳膜进行复合的方式制备得到的具有一体化结构的复合气体扩散层，多孔金属膜通过在金属膜(箔)上打孔，并调节打孔的孔径大小和孔间距来调节进出电极水的量，使得电极既不会被水淹，又可以使得质子交换膜有一个适宜的含水量，使其在恶劣环境下也具有保水的功能，保持一个较高的功率密度。

通过采用具有优良导电性能和耐腐蚀性能的金属膜层结构制备气体扩散层，为气体扩散层提供良好的导电均匀性，有助于提高电池的能量转化效率、延长电池系统的寿命，且能够增强燃料电池的性能，并降低维护成本。

进一步地，在金属膜表面加工贯穿孔，通过设定特定的孔径和孔间距结构，与多孔碳膜的微孔结构形成具有梯度孔径结构，促进气体扩散层的排水性能。

下面通过具体的实施例来进一步详细说明本发明的技术方案。

实施例1

本实施例提供一种由多孔金属膜和多孔碳膜复合而成的复合气体扩散层，制备方法包括以下步骤：

参阅图1，将金属膜与通过激光刻蚀的方法进行打孔，得到具有图案化的多孔金属膜。再将得到的多孔金属膜与多孔碳膜通过粘合剂进行粘合，复合得到气体扩散层。

具体地，本实施例提供的具体方案包括：

1.提供多孔金属膜

将干燥、洁净的银箔放置在紫外激光打标机的工作台上，尽量保证金属膜的平整性。通过激光打标的软件进行打孔尺寸，间距以及打孔范围的设置，不同的打孔尺寸与打孔间距可能会影响金属膜的导电性和气体传输能力。调节激光的电流以及打标的次数，保证激光的刻蚀深度能够刻穿银箔。这里设置的打孔尺寸范围是0.2mm，孔间距是0.2mm，打孔区域小于10cm×10cm。对于10μm厚的银箔，打标电流设置为9A，打标次数设置为40次。将激光打标图案化之后的银箔使用乙醇进行清洗，随后自然烘干，得到多孔金属膜。

2.提供多孔碳膜

本实施例选用的多孔碳膜为TGP-060碳纸。

3.复合气体扩散层

首先将黏合剂均匀涂覆在多孔金属膜的任意一面，然后将多孔金属膜平整地粘附在多孔碳膜背面上，接着在烘箱中100℃干燥1h，200℃干燥2h。将干燥后的复合气体扩散层切去多余的多孔碳膜，得到复合气体扩散层。

优选地，黏合剂选用电达牌DAD-87导电胶作为多孔金属膜和多孔碳膜(TGP-060碳纸)的黏合剂。

实施例2-4

实施例2-4与实施例1的制备步骤基本相同，区别仅在于，步骤1中提供多孔金属膜的打孔的孔间距均为0.2mm，打孔的孔径尺寸分别为0.5mm、0.7mm、0.9mm和1.1mm。

实施例5-9

实施例5-9与实施例1的制备步骤基本相同，区别仅在于，步骤1中提供多孔金属膜的打孔的孔径尺寸均为0.7mm时，打孔的孔间距分别为0.6mm、1.0mm、1.3mm、1.6mm和1.9mm。

对比例1

本对比例与实施例1的区别仅在于，采用延压的方法将多孔金属膜和多孔碳膜挤压复合。

将本对比例通过延压的方法进行复合后，在制备膜电极工艺过程中，在130℃、40Kgf cm^-2条件下进行了热压，会直接脱落，无法形成一体化结构。因此实际操作过程中，两层膜结构并不能采用现有技术的延压方法来实现结构的一体化。同时，现有技术中采用延压的方法，其目的在于，在延压过程中，多孔碳膜被挤压变薄，使得多孔碳膜的孔隙率降低，并不利于制备的电池的气体交换和排水。

采用上述实施例和对比例的复合气体扩散层进行电池的组装。

膜电极的制备包括：(1)配置催化剂浆料；将70％Pt/C和5％Nafion(质量比4：1)作为催化剂，分散在水和异丙醇(体积比为1：1)的混合溶剂，超声分散成均匀的催化剂浆料。

(2)负载催化层；将通过步骤(1)制备的催化剂浆料喷涂在复合气体扩散层的微孔层上，催化剂的载量是0.5mgPt·cm^-2。

(3)烘干；将负载有催化剂的复合气体扩散层放置于105℃的烘箱中静置1小时，得到负载有催化层的气体扩散层。

(4)膜电极的制备；

将质子交换膜(DuPont XL)放置在两层负载有催化剂的复合气体扩散层之间，在130℃，40Kgf·cm^-2下热压两分钟。

将上述制备得到的膜电极组件封装在电池壳内，组装成电池。

电池性能测试：将步骤(4)制备的复合膜电极(2.5×8cm，活性面积20cm²)置于如图2所示的自制的夹具中。如图所示，夹具的阴极侧和阳极侧均为聚氯乙烯(PVC)板，阳极侧PVC板有凹槽做阳极室，阴极侧有镂空直接暴露在空气中。复合膜电极置于阴极侧和阳极侧之间。进一步地，阴极侧和阳极侧与复合膜电极之间设有聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜，用于密封。检测时，使用厚度为10μm、宽度为50mm的银片分别连接膜电极的阴极、阳极和外电路。使用放电仪测试膜电极的性能，在常温常压下用取样电流伏安法测试膜电极的极化曲线，并通过计算得到膜电极的功率曲线，测试条件包括：氢气的流速是50mL min^-1，截止电压是0.2V。

对制备得到的复合气体扩散层、膜电极进行形貌观察和/或性能检测：

1.形貌

参阅图3a和图3b，为本实施例制备的复合气体扩散层通过扫描电子显微镜对其正面以及截面进行观察，获得的复合气体扩散层的结构以及形貌信息。

参阅图3a，观察金属膜的平整度以及打孔的尺寸(正面的扫描电镜图)可知，从图3a中，可以看出，金属膜上的孔非常规整的，透过孔可以看到组成碳纸的碳纤维；而且通过激光打孔后，金属膜的表面平整，孔间距均匀，孔与孔之间的孔间距为0.2mm，孔径为0.2mm。

参阅图3b，多孔金属膜与碳纸的复合可以看出通过导电银浆的黏合，碳纸与多孔金属膜之间的结合也是非常紧密的，而且截面较为平整，层与层之间几乎没有明显的界面，能够很好地融合为一体结构，这对于降低复合扩散层的电阻是非常有利的。

2.导电性能

本发明通过测量复合气体扩散层的方块电阻(R_□，单位是Ω·sq^-1)来评估复合气体扩散层导电性的电学性能。方块电阻又称膜电阻，其大小与样品尺寸无关。方块电阻的值越小，说明电子在扩散层面内传递越快。

检测方法包括：通过四探针电阻仪测试复合气体扩散层的方块电阻，复合气体扩散层的尺寸不小于4cm×4cm。在不同位置进行取样测量，测量5个点。进一步对测量得到的5个数值进行高斯拟合，得到复合气体扩散层的方阻的平均值，同时使用高斯拟合得到的半峰宽(FWHM)评价气体扩散层导电性的均匀性。检测结果参见图4a和图4b。

参阅图4a，为实施例1-4中，打孔的孔间距均为0.2mm时，打孔的孔径尺寸分别为0.2mm、0.5mm、0.7mm和1.1mm条件下，对复合电极方阻的影响，由图可见可以看出随着打孔尺寸的增大，电极方阻从2.56mΩ·sq^-1增加到了8.46mΩ·sq^-1，可见打孔尺寸对于电池方阻的具有较大的影响。

参阅图4b，为实施例1和实施例5-9中，为打孔尺寸均为0.7mm时，打孔的孔间距分别为0.2mm、0.6mm、1.0mm、1.3mm、1.6mm和1.9mm条件下，不同打孔间距对复合电极方阻的影响，随着打孔间距的增大，电极方阻从5.01mΩ·sq^-1减小到了1.07mΩ·sq^-1。

3.电池性能

对组装得到的电池进行性能检测，参阅图5a-5d。

参阅图5a，为实施例1-4得到的气体扩散层组装得到的电池性能对照图。由图可见，孔径对电池性能有一个较大的影响，电池最大功率密度也从94.6mW·cm^-2增加到了132mW·cm^-2，增加了39.7％。但是从0.7mm到1.1mm；电池最大功率密度从132mW·cm^-2减小到115mW·cm^-2，当孔径为0.7mm时电池性能最佳。

参阅图5b，为实施例1和实施例5-9得到的气体扩散层组装得到的电池性能对照图。由图可见，孔间距从0.2mm至1.3mm电池最大功率密度从117.4mW·cm^-2增加到了148.5mW·cm^-2，增加了26.5％；从1.3mm至1.9mm，最大功率密度从148.5mW·cm^-2减少到114.7mW·cm^-2，当孔间距为1.3mm时电池性能最佳。

参阅图5c，为实施例1和实施例5-9中孔间距从0.2mm到1.9mm条件下，风速对电池最大功率密度间比值的影响。

由图可见，在孔间距在＜1.6mm时组装的电池，风速对其性能的影响都是相似的，电池性能随风速增加是持续下降的。因此对于孔间距＜1.6mm的电池阴极均未出现水淹。而对于孔间距＞1.6mm的电池，随着风速增加电池阴极的氧气量变多，但是由于电池开孔率较高，电池阴极排水较多，风速越高，阴极排水就越多，因此在高电流密度下电池的质子交换膜的水合程度就越低，质子电导率就越低，所以电池性能逐渐降低。

对于孔间距达1.6mm的电池，风速增加，电池性能逐渐增加。因为其开孔率较低，电池排水少，阴极氧气量也减少，在高电流密度下，可能会导致电池阴极水淹，影响传质，同时，阴极氧气量会更低，但是在吹风之后，使得排水量增加，阴极水淹程度变好，电池传质变好，同时氧气量也变多了，所以电池性能随风速增加逐渐增加。因此，本发明在较小的孔间距时是不存在水淹。

参阅图5d，为实施例1和实施例5-9中孔间距从0.2mm到1.9mm条件下，温度对电池性能(电池最大功率密度间比值)的影响。由图可见，随着打孔间距的增大，因温度升高导致电池性能下降的数值逐渐降低。同时，孔间距较大时，不仅因温度升高电池性能降低的数值减少了，电池在较高温度下依旧能够保持较好的性能也很好。因为当我们增大孔间距时，电池的开孔率降低了，因此电池的排水量降低，这使得质子交换膜的水合度变高，因此电池性能减小得少。

采用本发明的技术方案，采用激光打孔法在金属膜表面形成分布均匀且表面平整的多孔金属膜，其中，形成的多孔结构发挥的作用包括：第一，与外界进行气体交换；第二，将电池内部的水排出。具体地，在常温和正常空气流速条件下，水的蒸发量是比较少的，这时候就需要相对来说较大和较多的孔，当孔径为0.7mm、孔间距为1.3mm为最优实施例。但是对于以下特殊条件下，如阴极高风速和高温的条件存在时，水的蒸发量较通常情况大大增多，就需要使用相对来说较小或者较少的孔，使得电池的排水量减少。还有一点进一步说明的是，对于电池的性能与排水量的能力并不正相关，也即并不是排水量越多对电池性能的稳定作用就一定越好，因为在质子交换膜电池中的质子交换膜是需要进行水合，才能进行快速质子转移。所以如果电池排水较多，就会导致质子交换膜变干，使得质子交换电阻增大，电池性能会因此下降。但是排水较少，水淹会占据质子交换膜的孔隙结构和活性位点，阻碍质子的传导；水的存在会占据气体扩散层和孔隙结构，降低氢气和氧气的扩散速率。因此，对于气体扩散层的结构优化来提高电池性能的角度分析其作用，气体扩散层即需要具有稳定和优异的排水性能，同时也需要具有一定持水性。

综上，对于本发明而言，复合气体扩散层能够发挥集流体(Bipolar Plates)、支撑质子交换膜和催化层的作用，是一种一体化的复合气体扩散层。具体地，其能够实现的作用包括：

1.发挥集流体的作用，用于分配氢气和氧气；集流体用于将氢气和氧气均匀分配到质子交换膜(PEM)两侧的电极上。它们具有复杂的通道结构，可实现气体在电极表面的均匀分布，确保充分的反应物质供应。

2.发挥支撑质子交换膜的作用：集流体作为质子交换膜的支撑材料，能够提供稳定的结构支持，并防止质子交换膜因受压或挠曲而受损。

3.具有优良的导电性：集流体通常由导电材料(如金属或碳复合材料)制成，可有效地传导电子，将电子从电极传输到外部电路。

4.发挥催化层的作用，促进电化学反应：催化层是氢气和氧气反应的关键区域。它通常位于质子交换膜两侧的电极表面，含有贵金属催化剂(如铂)，可加速气体的电化学反应，实现氢气的氧化和氧气的还原；同时提供反应表面；催化层具有高比表面积和多孔结构，能够提供大量的活性反应表面，增加反应物质与催化剂之间的接触，促进反应速率；传递电子和质子：催化层不仅允许电子传导，还通过质子交换膜促进质子的传导。质子在催化层中与氧气反应，产生水分子，而质子则通过质子交换膜传递到另一侧的氢气反应区域。

以上仅为本发明的优选实施例，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合气体扩散层，其特征在于，包括多孔金属膜和多孔碳膜复合而成；

所述多孔金属膜的表面平整，布置有若干个间距均匀的贯穿孔；

所述复合气体扩散层通过将所述多孔金属膜和所述碳膜通过粘合的方法复合而成形成的一体化结构。

2.根据权利要求1所述的复合气体扩散层，其特征在于，所述多孔金属膜的孔径为0.2～1.5mm；孔间距为0.2～2.0mm。

3.根据权利要求2所述的复合气体扩散层，其特征在于，所述多孔金属膜的厚度为4～20μm；

和/或，多孔碳膜的厚度为40～235μm；

和/或，所述多孔金属膜包括具有导电性且耐腐蚀性的材料；

和/或，所述多孔金属膜包括金属箔、石墨、碳纳米管、石墨烯中的至少一种；优选地，所述金属箔包括银箔、铜箔、金箔、镍箔、铬箔、钴箔中的任一种或两种的合金；

和/或，所述碳膜包括碳纸、碳纤维编织布、碳纤维非纺材料及碳黑纸中的任一种。

4.根据权利要求1-3任一项所述的复合气体扩散层，其特征在于，所述多孔金属膜和所述碳膜采用黏合剂进行粘附复合而成。

5.根据权利要求1-4任一项所述的复合气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.提供多孔金属膜；

将金属膜通过打孔得到间距分布均匀的贯穿孔，在打孔后所述金属膜表面上涂覆导电银浆，得到表面平整的多孔金属膜；

S2.提供多孔碳膜；

S3.制备一体化气体扩散层；

将黏合剂均匀涂覆在所述多孔金属膜的表面，将多孔金属膜平整地粘附在多孔碳膜背面上进行干燥，即得到复合气体扩散层。

6.根据权利要求5所述的复合气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述打孔的方法包括利用激光打孔法得到；

所述激光刻蚀通过激光打标机得到。

7.一种燃料电池用膜电极，包括如权利要求1-5任一项所述的复合气体扩散层。

8.如权利要求7所述的燃料电池用膜电极，将质子交换膜放置于两个所述复合气体扩散层之间，经热压即可得到所述膜电极。

9.一种燃料电池，包括如权利要求1-5任一项所述复合气体扩散层，或包括如权利要求8所述的膜电极；所述燃料电池的最大功率密度最高可至150mW/cm²。

10.如权利要求1-5任一项所述的一体式气体扩散层在能量转换器件中的应用。