气体扩散层及其制备方法、膜电极组件和燃料电池技术

本发明专利技术公开了一种气体扩散层为多层微孔结构，包括在所述燃料电池中反应气体的导流方向上依次层叠排布的流道界面层、缓冲层、流体引导层和超微孔层；其中，所述流道界面层的孔隙率小于所述流体引导层的孔隙率且大于所述超微孔的孔隙率，所述缓冲层上设置有沿所述第一方向的孔隙率逐渐增加的孔隙率梯度；本发明专利技术通过设置具有孔隙率梯度的缓冲层，使燃料电池在电化学反应时产生的水以相对柔和的形式疏导出去，有效避免了“膜干”问题，同时通过超微孔层、流体引导层、缓冲层和流道界面层设置的组合孔隙率梯度，在避免燃料电池“膜干”问题时，同时兼顾避免了“水淹”问题，有效维持了燃料电池的水平衡，提高了燃料电池的性能。提高了燃料电池的性能。提高了燃料电池的性能。

【技术实现步骤摘要】
气体扩散层及其制备方法、膜电极组件和燃料电池


[0001]本专利技术涉及氢燃料电池
，尤其涉及一种气体扩散层及其制备方法、膜电极组件和燃料电池。

技术介绍

[0002]燃料电池又被称之为质子交换膜燃料电池，目前被公认为是实现低排放或零排放的能量转化装置之一，其工作原理是通过电化学催化反应，将氢气和氧气的化学能转化为电能，并提供电力的驱动装置；其具有工作温度低、启动快、能量转化效率高、环境友好、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车的首选能源，成为了目前燃料电池汽车的主流动力源。
[0003]燃料电池的核心部件为膜电极材料，由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层通过热压工艺复合合成，与极板组合构成燃料电池的基本结构。燃料电池工作中反应气体经极板导流，再经气体扩散层扩散至催化剂表面发生反应，反应产物水从气体扩散层穿出汇入气流排出。其中，气体扩散层是燃料电池最重要的组件，由导电的多孔材料组成，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多重作用，实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配，是影响电极性能的关键部件之一，其好坏直接影响燃料电池的工作效率，尤其是在多变或极端的工作环境下，气体扩散层在影响燃料电池的性能同时还会影响其可靠性与寿命。
[0004]但目前对气体扩散层的设计比较单一化，如申请号为201010524791.X的专利技术专利公开了一种具有梯度孔结构的气体扩散层及其制备和应用，所述气体扩散层由大孔碳基支撑体和微孔层叠合而成，构成微孔层的组成材料从远离电池流场的大孔碳基支撑体一侧镶嵌到卡控碳基支撑体内，构成过渡孔层，所述气体扩散层中自与流场相邻的一侧向与催化层相邻的一侧方向上的反应气体传递的曲率呈梯度增加趋势，该种单一化的结构，有效增加了水和气在气体扩散层内的传质曲率，有利于保持电池内部的液态水，但是无法保证燃料电池中的水平衡，很容易引起燃料电池的“水淹”，使燃料电池的性能下降。
[0005]因此，如何保证燃料电池中水平衡，以提高燃料电池的性能，是目前燃料电池领域急需解决的问题。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术的不足，本专利技术的主要目的在于提供了一种应用于燃料电池的气体扩散层及其制备方法、使用该种气体扩散层的膜电极组件和燃料电池，旨在保证燃料电池中水平衡，提高燃料电池的性能。
[0007]一种气体扩散层，应用于燃料电池，所述气体扩散层为多层微孔结构，包括在第一方向上依次层叠排布的流道界面层、缓冲层、流体引导层和超微孔层；
[0008]其中，所述第一方向为所述燃料电池中反应气体的导流方向，所述流道界面层的孔隙率小于所述流体引导层的孔隙率且大于所述超微孔的孔隙率，所述缓冲层上设置有沿
所述第一方向的孔隙率逐渐增加的孔隙率梯度。
[0009]具体地，所述缓冲层包括在所述第一方向上层叠设置的多层第一纤维层，
[0010]其中，所述缓冲层的每层第一纤维层的孔隙率在所述第一方向上逐渐增加。
[0011]较佳地，所述缓冲层的每层第一纤维层均设置有第一涂层，
[0012]其中，所述缓冲层的每层第一纤维层的第一涂层的第一接触角沿所述第一方向逐渐变小。
[0013]较佳地，所述流体引导层由碳纳米颗粒和碳纳米管混合而成，
[0014]其中，所述碳纳米管在所述第一方向上贯通所述流体引导层，用于引导从所述超微孔层中进入所述流体引导层的水进入所述缓冲层。
[0015]较佳地，所述碳纳米颗粒的平均粒径为5－6μm，所述碳纳米管的平均管径为10－12μm。
[0016]较佳地，所述流道界面层包括在所述第一方向上层叠设置的多层第二纤维层，
[0017]其中，所述流道界面层的每层第二纤维层上均涂覆有第二涂层，且每层第二纤维层的第二涂层的第二接触角沿所述第一方向逐渐变大。
[0018]较佳地，所述超微孔层为碳颗粒烧结而成的多孔介质，其中，所述碳颗粒的平均粒径为2－3μm，所述超微孔层的平均孔径为5－6μm。
[0019]较佳地，所述超微孔层的厚度小于所述流体引导层的厚度，所述流体引导层的厚度小于所述缓冲层的厚度，所述缓冲层的厚度小于所述流道界面层的厚度。
[0020]较佳地，可分别对所述超微孔层、所述流体引导层、所述缓冲层和所述流道界面层进行分别加工后，再层叠压合在一起。
[0021]一种膜电极组件，依次层叠设置的阴极气体扩散层、阴极催化剂层、质子交换膜、阳极催化剂层和阳极气体扩散层；
[0022]其中，所述阴极气体扩散层为如上所述的气体扩散层。
[0023]一种燃料电池，所述燃料电池包括如上所述的膜电极组件。
[0024]相较于现有技术，本专利技术所提出的气体扩散层为多层微孔结构，包括在所述燃料电池中反应气体的导流方向上依次层叠排布的流道界面层、缓冲层、流体引导层和超微孔层；其中，所述流道界面层的孔隙率小于所述流体引导层的孔隙率且大于所述超微孔的孔隙率，所述缓冲层上设置有沿所述第一方向的孔隙率逐渐增加的孔隙率梯度；本专利技术通过设置具有孔隙率梯度的缓冲层，使燃料电池在电化学反应时产生的水以相对柔和的形式疏导出去，有效避免了“膜干”问题，同时通过超微孔层、流体引导层、缓冲层和流道界面层设置的组合孔隙率梯度，在避免燃料电池“膜干”问题时，同时兼顾避免了“水淹”问题，有效维持了燃料电池的水平衡。
附图说明
[0025]图1为为本专利技术实施例气体扩散层的剖面结构示意图；
[0026]图2为本专利技术实施例气体扩散层的各层结构的接触角和孔隙率；
[0027]图3位本专利技术流体引导层的剖面结构示意图；
[0028]附图标记：
[0029]10－气体扩散层，11－流道界面层，12－缓冲层，13－流体引导层，131－碳纳米颗
粒，132－碳纳米管，14－超微孔层。
[0030]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0031]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。在不脱离本专利技术上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本专利技术的范围内。
[0032]目前，燃料电池的基本组件包括质子交换膜、催化剂层、气体扩散层和极板。质子交换膜与催化剂层，作为燃料电池中电化学反应的主要场所，确定了燃料电池理论能达到的发电量；极板分为单极板和双极板，应用于燃料电池电堆，其作用是导通电池堆中所有单电池，并通过其上的通道向气体扩散层输送电化学的反应物，疏导电化学反应的产物，同时，还具有较高的导电性能，用于向外界输出电能。
[0033]气体扩散层位于质子交换膜和催化剂层之间，是膜电极组件的最外层，为膜电极组件和极板提供接触，将反应物输送到催化剂层，并让反应产物水离开电极表面，允许水在电极和流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体扩散层，应用于燃料电池，其特征在于：所述气体扩散层为多层微孔结构，包括在第一方向上依次层叠排布的流道界面层、缓冲层、流体引导层和超微孔层；其中，所述第一方向为所述燃料电池中反应气体的导流方向，所述流道界面层的孔隙率小于所述流体引导层的孔隙率且大于所述超微孔的孔隙率，所述缓冲层上设置有沿所述第一方向的孔隙率逐渐增加的孔隙率梯度。2.如权利要求1所述气体扩散层，其特征在于：所述缓冲层包括在所述第一方向上层叠设置的多层第一纤维层，其中，所述缓冲层的每层第一纤维层的孔隙率在所述第一方向上逐渐增加。3.如权利要求2所述气体扩散层，其特征在于：所述缓冲层的每层第一纤维层均设置有第一涂层，其中，所述缓冲层的每层第一纤维层的第一涂层的第一接触角沿所述第一方向逐渐变小。4.如权利要求1所述气体扩散层，其特征在于：所述流体引导层由碳纳米颗粒和碳纳米管混合而成，其中，所述碳纳米管在所述第一方向上贯通所述流体引导层，用于引导从所述超微孔层中进入所述流体引导层的水进入所述缓冲层。5.如权利要求4所述气体扩散层，其特征在于：所述碳纳米颗粒的平均粒径为5－6μm，所述碳纳米管的平均管径为10－12μm...

【专利技术属性】
技术研发人员：余俊良，周飞鲲，袁述，田冬伟，贾风，许永亮，
申请(专利权)人：广州汽车集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：