[发明专利]一种气体扩散层及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种气体扩散层及其制备方法和应用，所述气体扩散层包括多孔支撑层和微孔导电层；其中，所述多孔支撑层的骨架材料为聚合物纤维。本发明提供的气体扩散层具有良好的气体扩散性，并且可以阻隔水分传输；同时本发明提供的气体扩散性的柔韧性较佳，避免了传统材料的易碎性；同时聚合物纤维成本较低，可降低气体扩散层的应用成本。

技术领域

本发明属于燃料电池材料技术领域，涉及一种气体扩散层及其制备方法和应用。

背景技术

氢燃料电池车相比于纯电动车具有加氢时间短、续航里程长的优点，氢能是可再生清洁能源，具有来源广泛、零污染、零排放、无次生污染的优点，适宜进行中、大规模储备。我国作为国际产氢大国，传统能源制氢和可再生能源制氢双管齐下，氢运输系统和加氢站也日渐成熟。根据H₂ stations.org发布的全球加氢站统计报告数据显示，截止2018年年底，全球共有369座加氢站，其中欧洲拥有152座，亚洲拥有136座，北美拥有78座；截至2018年年底，我国已建成或在运营的加氢站有26座。氢能产业因拥有巨大的优势，被各国争相应用在军工、发电、现代工业等领域，目前氢能已在汽车工业领域初露锋芒。以氢能为燃料的燃料电池汽车凭借着清洁特性相较于传统新能源汽车具备续驶里程长、动力性能高、燃料加注时间短等特性，在新能源汽车领域处于持续、快速的发展中，未来的应用情况十分可观。

燃料电池系统拥有与传统发动机系统相类似的结构，储氢瓶代替油箱，燃料电池系统的核心即燃料电池电堆代替传统发动机。燃料电池电堆的核心零部件膜电极由质子交换膜、催化剂、气体扩散层组成，气体扩散层在燃料电池电堆中起到电子传导、收集电流、导气、排水、支撑膜电极的作用。气体扩散层主要基材通常采用石墨化碳纤维纸，利用纤维间孔隙行程通道进行气体传导和水分子传递，同时碳纤维纸疏松多孔的形貌起到支撑膜电极的作用。但采用传统石墨化碳纤维纸制作气体扩散层在实际操作中存在问题，碳纸在运输储存过程中易碎，弯折、挤压、针刺都对碳纸表面的疏水层制备产生影响，在气体扩散层的生产过程中，弯折、大尺寸基材浸泡、转移都会对碳纸本身造成损伤，增加气体扩散层成本，影响制备效率。

CN1988225A公开了一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法，其气体扩散层包括多孔支撑层和微孔层，多孔支撑层为网状、多孔结构。微孔层复合在多孔支撑层靠近催化层一侧的表面。所述微孔层均匀地覆盖在多孔支撑层的大孔及纤维密集区的表面，不深入至多孔支撑层的内部。该专利提供的气体扩散层虽然制备方法较简单，但是其使用的碳纸、碳布等性脆、易折，均会对气体扩散层产生不利影响。CN102856567A公开了一种一体式可再生燃料电池气体扩散层及其制备方法，采用不导电的有机合成纤维布作为扩散层的支撑体，通过在其上构造导电的耐腐蚀金属/金属氧化物网络，填充到有机纤维的孔隙中，结合一定的疏水剂、粘结剂，使扩散层达到适宜的亲疏水性能以及构造合适的孔结构，以保证URFC在不同工作模式下的传质平衡；该专利提供的气体传输层孔径较大，无法阻止水分的传输；并且其添加了金属粒子，质量较重，不利于应用。

因此，需要开发一种柔韧性好、疏水导气性能好，且制备方法简单的气体传输层，达到应用的目的的同时可以节约成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体扩散层及其制备方法和应用。本发明提供的气体扩散层具有良好的气体扩散性，并且可以阻隔水分传输；同时本发明提供的气体扩散性的柔韧性较佳，避免了传统材料的易碎性；同时聚合物纤维成本较低，可降低气体扩散层的应用成本。

为达到此发明目的，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多孔支撑层和微孔导电层；

其中，所述多孔支撑层的骨架材料为聚合物纤维。

本发明采用聚合物纤维作为多孔支撑层的骨架材料，聚合物纤维具有柔韧性佳、耐弯折的优点，可以避免传统使用的碳纸易碎的缺点；同时聚合物纤维成本较低，有利于降低气体扩散层的应用成本。