[发明专利]气体扩散层及其制备方法、膜电极组件和燃料电池

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及氢燃料电池技术领域，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。

背景技术

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。

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。

但目前对气体扩散层的设计比较单一化，如申请号为201010524791.X的发明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。

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。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明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。

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；

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。

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，

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。

较佳地，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。

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，

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。