一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层及其制备方法

1.本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层及其制备方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池因其具有高能量密度、高工作转化效率、低工作温度且环保等诸多独特的优势，被视为最有前景的可替代传统化石能源的能量转化装置，现已广泛应用于交通运输、固定式电源、便携式发电系统等领域。
3.质子交换膜燃料电池主要是由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜构成，其工作原理为阳极的氢气发生氧化反应产生质子和电子，电子通过外电路与负载相连进行供能，质子通过质子交换膜到达阴极，与氧气发生还原反应生成唯一产物-水。作为质子交换膜燃料电池核心组件之一，气体扩散层主要是将双极板传输的气体顺利运载至相应的催化剂层，同时将电池内部产生的水排出电池。
4.目前，气体扩散层主要由微孔层和基底层组成，基底层是对气体扩散层的整体结构起到支撑，而微孔层含有丰富的孔结构，能对水和气体的传输起到分配作用。当电池运行时，水会在阴极催化剂层和气体扩散层的接触处生成，尤其电池在大电流密度下工作时生成的水比较多，生成的水会在毛细压力的作用下通过气体扩散层排出电池。气体扩散层的水管理能力决定了电池在大电流密度下的性能，具有良好设计的气体扩散层能够及时的将水快速排出，而气体扩散层的设计不合理会影响电池的水管理能力，严重时可能会出现水淹的情况，水管理出现问题时将会影响气体在气体扩散层中的传输，最终迫使电池停止工作。所以，气体扩散层的设计和优化对改善和提高电池的水管理能力以及气体传输效率起到了重要的作用。
5.专利cn 109950551 a公开了一种用于燃料电池的增强型气体扩散层微孔膜、膜电极及其制备方法，所制备的增强型气体扩散层微孔膜的自支撑层选自多孔碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维非纺材料及碳黑纸的一种。可见该专利的气体扩散层包含微孔层和基底层。
6.专利cn102203995b公开了一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法、膜电极接合体及燃料电池，该专利的气体扩散层包括以导电性粒子和高分子树脂作为主成分且添加有比高分子树脂少的碳纤维的多孔构件，多孔构件含有2.0重量％以上且7.5重量％以下的碳纤维，并且含有10重量％以上且17重量％以下的高分子树脂，多孔构件是仅由导电性粒子和高分子树脂支撑的自支撑体结构。该专利是一种自支撑结构，但其并不具备孔隙梯度。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层及其制备方法，选用具有不同孔隙结构的碳材料与粘结剂和导电剂混合研磨，经过擀片辊压分别制备具有一定强度和厚度的自支撑碳膜，将自支撑碳膜按照孔隙尺寸大小进行堆叠组装，制备成具有梯度孔分布的气体扩散层，堆叠组装后的自支撑碳膜具有机械强度高、稳定性好、厚
度可调等优势，其用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层作为支撑。本发明简化了气体扩散层内部结构，自支撑碳膜梯度孔结构设计避免了原有技术中基底层水淹的风险，降低了质子交换膜燃料电池的生产成本。
8.本发明具体是通过以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，由至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜按照孔隙梯度堆叠形成，气体扩散层内孔隙尺寸分布范围为0.5nm-100μm，气体扩散层的厚度为200-300μm。
9.前述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，其用于燃料电池时，孔隙尺寸小的自支撑碳膜靠近燃料电池催化剂层，孔隙尺寸大的自支撑碳膜靠近燃料电池气体输入端。
10.前述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，所述至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜具有相同或不同的厚度，其组装成微孔层时堆叠层数至少为三层。
11.本发明还提供一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其具体包括以下步骤：
12.(1)将两种以上具有不同孔隙结构的碳材料作为气体扩散层梯度孔结构设计模板，每种碳材料与一定量粘结剂和导电剂混合研磨，之后通过擀片辊压的方法分别制备具有一定厚度的自支撑碳膜；
13.(2)将步骤(1)制备的自支撑碳膜按照一定的组合顺序、组合比例和组合层数进行堆叠、冷轧组装，得到具有梯度孔分布的气体扩散层，该气体扩散层的厚度为200-300μm，其内部孔隙尺寸分布范围为0.5nm-100μm，其内部孔隙由小到大梯度分布；孔隙尺寸小的自支撑碳膜靠近燃料电池催化剂层，孔隙尺寸大的自支撑碳膜靠近燃料电池气体输入端；堆叠后的自支撑碳膜用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层做支撑。
14.前述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，步骤(1)中，碳材料与导电剂、粘结剂按照质量比为(8-9.5)：(1-0)：(1-0.5)进行混合研磨。
15.进一步地，步骤(1)中，滚轴宽度设定为0-400μm。
16.前述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，步骤(2)中，不同孔隙结构的自支撑碳膜按照三层或者三层以上的层数进行堆叠、冷轧组装，不同孔隙结构的自支撑碳膜堆叠组装时具有相同或不同的厚度和质量比，最终制备的气体扩散层的厚度控制在200-300μm。
17.进一步地，步骤(1)中所述的碳材料可以选用活性炭yp50f、活化氧化还原石墨烯和石墨烯，导电剂可以选用乙炔黑、科琴黑、石墨烯和碳管中的任意一种，粘结剂可以选用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羟甲基纤维素、丁苯橡胶、聚丙烯酸和聚乙烯醇中的任意一种。
18.进一步地，制备活性炭自支撑碳膜时，活性炭与粘结剂所占的质量百分数分别为95％和5％；制备活化氧化还原石墨烯自支撑碳膜时，活化氧化还原石墨烯与粘结剂所占的质量百分数分别为95％和5％；制备石墨烯自支撑碳膜时，石墨烯与导电剂和粘结剂所占的质量百分数分别为80％、10％、10％。
19.更进一步地，粘结剂选用聚四氟乙烯的水溶液或者聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯的水溶液中聚四氟乙烯的质量分数为5％。
20.本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明可达到相当的技术进步性及实用性，并具有广泛的利用价值，其至少具有下列优点：
21.(1)根据气体扩散层排水机理分析，整个气体扩散层的排水瓶颈在于微孔层与基底层的相接面，由于该相接面毛细管力的突变，相接面相邻的一定厚度内的基底层容易被水淹，导致气体扩散层排水能力变差。因此，使用具有机械强度高、稳定性好的自支撑碳膜可减少或避免基底层的使用，降低或避免基底层被水淹的风险。本发明选用具有不同孔隙结构的碳材料与粘结剂和导电剂混合研磨，经过擀片辊压分别制备具有一定强度和厚度的自支撑碳膜，将自支撑碳膜按照孔隙尺寸大小进行堆叠组装，制备成具有梯度孔分布的气体扩散层，该气体扩散层具有机械强度高、稳定性好、厚度可调等优势，其可单独用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层作为支撑。与现有技术相比，本发明简化了气体扩散层内部结构，避免了原有技术中基底层水淹的风险，降低了质子交换膜燃料电池的生产成本。
22.(2)本发明直接在气体扩散层设计梯度孔结构，可平缓气体扩散层毛细管力的突变，使毛细管力在厚度方向梯度分布，提高气体扩散层的排水能力。当液态水含量不同时，孔梯度交错结构对应产生不同的排水强度，增加了催化层与气体扩散层之间的压力，引导液态水排出，增强了排水能力，避免过多的水分阻塞孔隙而导致“水淹”现象。通过梯度孔交错结构，可明显减少气体入口处的水含量，随之水结成冰的含量也降低，燃料电池启动时，升温融冰的速度更快，提高了燃料电池的冷启动能力。
附图说明
23.图1是质子交换膜燃料电池及本发明的气体扩散层整体结构示意图；
24.图2是本发明的自支撑碳膜制备流程示意图；
25.图3是不同组装形式的气体扩散层的示意图。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图1所示，在燃料电池中，阳极的氢气发生氧化反应产生质子和电子，电子通过外电路与负载相连进行供能，质子通过质子交换膜到达阴极，与氧气发生还原反应生成水。作为质子交换膜燃料电池核心组件之一，气体扩散层主要是将阳极的氢气输送至阳极催化剂层发生反应，以及将阴极的氧气输送至阴极的催化剂层发生反应，同时将电池内部产生的水排出电池。
28.在图1中，燃料电池的气体扩散层仅采用本发明具有孔隙梯度的微孔层，其内部具有梯度孔分布，且该微孔层具有一定的机械强度，可实现自支撑，不需要额外的基底层做支撑，可单独用作燃料电池气体扩散层。
29.所述的梯度孔分布是指：在燃料电池的阳极和阴极，自催化剂层至相应的气体输入端，气体扩散层(微孔层)内的孔隙由小孔径逐渐扩大到大孔径，孔隙尺寸的分布范围为0.5nm至100μm。
30.图1中，气体扩散层(微孔层)包括三种不同孔隙的梯度孔，在电池阴极，自阴极催
化剂层至氧气输入端，气体扩撒层中的孔隙逐渐变大，靠近阴极催化剂层的孔隙为微孔，中间是介孔，最外侧(靠近氧气输入端)是大孔。同样地，在电池阳极，自阳极催化剂层至氢气输入端，气体扩散层中的孔隙逐渐变大，靠近阳极催化剂层的孔隙为微孔，中间是介孔，最外侧(靠近氢气输入端)是大孔。通过以上方案，有利于气体扩散层的毛细管力形成梯度分布，提高扩散层的排水能力，避免造成水淹，从而提高质子交换膜燃料电池的使用寿命。
31.上述气体扩散层可以按照以下方法制备：
32.(1)将两种以上具有不同孔隙结构的碳材料作为气体扩散层(微孔层)梯度孔结构设计模板，与一定量粘结剂和导电剂混合研磨，之后通过擀片辊压的方法制备具有一定厚度的自支撑碳膜；基于不同的辊压机双轴间距可以制备出不同厚度的自支撑碳膜。自支撑碳膜具有一定的机械强度，且在水系/有机系溶剂内不发生解离。
33.(2)将步骤(1)制备的自支撑碳膜按照一定的组合顺序、组合比例和组合层数进行堆叠、冷轧，得到具有梯度孔分布的气体扩散层(微孔层)，可单独用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层做支撑。
34.步骤(1)中，选择两种以上(至少是三种)具有不同主体孔隙结构的碳材料作为梯度孔结构设计模板，每种碳材料与一定量粘结剂和导电剂混合研磨，分别制备具有一定厚度的自支撑碳膜。碳材料与导电剂、粘结剂按照质量比为(8-9.5)：(1-0)：(1-0.5)进行混合研磨。
35.步骤(1)中，碳材料、导电剂和粘结剂混合研磨成橡皮泥状，在滚轴宽度为0-400um条件下反复辊压成膜。辊压后的自支撑碳膜需要先在100-120℃烘箱内干燥12h，以挥发粘结剂中的溶剂(水或者n-甲基吡咯烷酮)。干燥后自支撑碳膜厚度均一，其误差小于10μm。
36.步骤(2)中，不同孔隙结构的自支撑碳膜可以按照三层或者三层以上的组合层数进行堆叠、冷轧，且不同孔隙结构的自支撑碳膜堆叠组装时可以具有相同或不同的厚度和质量比例，但最终制备的气体扩散层(微孔层)的厚度控制在200-300μm。
37.在一种实施例中，将两种以上具有不同孔隙结构的自支撑碳膜(自支撑碳膜厚度相同，每个碳膜厚度》70μm)进行少层堆叠，所述的少层堆叠是指堆叠层数在3-4层。堆叠辊压后得到的气体扩散层(微孔层)厚度为200-300μm，其孔结构分布从靠近催化剂一侧至气体输入端一侧为由小至大的渐变结构。
38.在另一种实施例中，将两种以上具有不同孔隙结构的自支撑碳膜(自支撑碳膜厚度相同，每个自支撑碳膜厚度＜50μm)进行多层堆叠，所述的多层堆叠是指堆叠层数在5-6层，根据每个自支撑碳膜具体厚度不同，选择堆叠的层数，使最终形成的气体扩散层(微孔层)的厚度为200-300μm，其孔结构分布从靠近催化剂一侧至气体输入端一侧为由小至大的渐变结构。
39.在另一种实施例中，将两种以上具有不同孔隙结构的自支撑碳膜(自支撑碳膜厚度不同)进行少层堆叠，根据每个自支撑碳膜具体厚度不同，选择堆叠的层数，使最终形成的气体扩散层(微孔层)的厚度为200-300μm，其孔结构分布从靠近催化剂一侧至气体输入端一侧为由小至大的渐变结构。
40.进一步地，步骤(1)中，对具有不同孔隙结构的碳材料的筛选是基于氮气/氩气/二氧化碳吸附脱附测试实现的。
41.在一种实施例中，选择活性炭yp50f、活化氧化还原石墨烯和石墨烯为具有不同孔
隙结构的碳材料，通过氮气吸附脱附测试得到活性炭yp50f、活化氧化还原石墨烯和石墨烯的孔径尺寸，其中，活性炭yp50f由58.02％的0.5-2nm孔、28.22％的2-10nm孔和13.76％的10-45nm孔组成。活化氧化还原石墨烯的孔径尺寸主要集中在2～10nm，占总孔体积的76.79％。石墨烯在10-45nm处具有较宽的孔径分布，占总体积的92.61％。通过以上孔隙特征分析，可以确定活性炭yp50f、活化氧化还原石墨烯和石墨烯的主要孔隙分别为微孔、小介孔和大介孔。
42.所述的活化氧化还原石墨烯的制备方法如下：
43.采用改进的hummers方法制备氧化石墨，将氧化石墨在微波炉中于1100w下微波辐照1min，制备氧化石墨烯，将氧化石墨烯分散在一定量7mol/l的氢氧化钾溶液中，氧化石墨烯与氢氧化钾溶液的固液比为20(mg):1(ml)，于400r/min的转速下搅拌4h，然后再浸泡20h。之后将多余的koh溶液过滤，滤渣在65℃的烘箱中干燥24h；将干燥后的产物置于管式炉中于800℃热处理1h，氩气流量为150sccm，管式炉升温速率为5℃/min，之后冷却至室温，用去离子水反复洗涤产物至中性，将所得产物置于65℃的烘箱中干燥2h，再于真空下800℃退火2h，得到活化氧化还原石墨烯。
44.在自支撑碳膜制备过程中，需要添加导电剂以增加气体扩散层的导电性，增强电子在外电路传输性能，同时需要增加粘结剂将碳粉颗粒进行致密化粘结。因而，导电剂和粘结剂的选择类型以及碳粉、导电剂和粘结剂的比例对自支撑碳膜的成形、稳定性、机械强度等性能有不同影响。
45.所述的导电剂可以选用乙炔黑、科琴黑、石墨烯和碳管中的任意一种。
46.所述的粘结剂可以选用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羟甲基纤维素、丁苯橡胶、聚丙烯酸和聚乙烯醇中的任意一种。
47.由于碳粉颗粒大小不同，不同颗粒间粘结程度可以形成微米级尺寸的狭缝间隙。碳粉颗粒间的狭缝也可作为气体或者水传输的路径，通过压汞测试法可获得自支撑碳膜狭缝孔的孔径分布。之后，通过改变辊压机双轴宽度值，可精准调控自支撑碳膜的厚度。
48.图2是本发明的自支撑碳膜制备流程示意图；图3是不同组装形式的气体扩散层的示意图。图3(a)的气体扩散层(微孔层)包括三种不同孔结构的自支撑碳膜，其组装层数为三层。图3(b)的气体扩散层(微孔层)可以是由n层自支撑碳膜堆叠组装形成。图3(c)的气体扩散层(微孔层)由三层自支撑碳膜组装形成，三层自支撑碳膜的厚度比为2:3:5。
49.下面以具体实施例对本发明进行详细说明：
50.实施例1
51.气体扩散层的制备包括：
52.(1)将95wt.％活性炭yp50f和5wt.％的粘结剂进行混合研磨，之后进行擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为50μm的自支撑碳膜ⅰ，。
53.将95wt.％活化氧化还原石墨烯和5wt.％的粘结剂进行混合研磨，之后进行擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为50μm的自支撑碳膜ⅱ。
54.将80wt.％石墨烯(rgo)粉末、10wt.％乙炔黑和10wt.％粘结剂进行混合研磨，之后进行擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为50μm的自支撑碳膜ⅲ。
55.本实施例的粘结剂选用质量分数为5％的聚四氟乙烯的水溶液。
56.(2)将步骤(1)制备的自支撑碳膜ⅰ、自支撑碳膜ⅱ和自支撑碳膜ⅲ按照两层自支
撑碳膜ⅰ、两层自支撑碳膜ⅱ、一层自支撑碳膜ⅲ进行堆叠、冷轧，得到具有梯度孔分布的气体扩散层，可单独用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层做支撑。其中，自支撑碳膜ⅰ具有更小的孔隙，靠近催化剂层设置，自支撑碳膜ⅲ具有更大的孔隙，靠近气体输入端设置，自支撑碳膜ⅱ位于自支撑碳膜ⅰ和自支撑碳膜ⅲ之间。
57.实施例2
58.气体扩散层的制备包括：
59.(1)将95wt.％活性炭yp50f和5wt.％的粘结剂进行混合研磨，之后进行擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为70μm的自支撑碳膜ⅰ。
60.将95wt.％活化氧化还原石墨烯和5wt.％的粘结剂进行混合研磨，之后进行擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为70μm的自支撑碳膜ⅱ。
61.将80wt.％石墨烯粉末、10wt.％乙炔黑和10wt.％粘结剂进行混合研磨，之后进行擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为70μm的自支撑碳膜ⅲ。
62.本实施例的粘结剂选用聚偏氟乙烯。
63.(2)将步骤(1)制备的自支撑碳膜ⅰ、自支撑碳膜ⅱ和自支撑碳膜ⅲ按照一层自支撑碳膜ⅰ、一层自支撑碳膜ⅱ、一层自支撑碳膜ⅲ进行堆叠、冷轧，得到具有梯度孔分布的气体扩散层，单独用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层做支撑。其中，自支撑碳膜ⅰ具有更小的孔隙，靠近催化剂层设置，自支撑碳膜ⅲ具有更大的孔隙，靠近气体输入端设置，自支撑碳膜ⅱ位于自支撑碳膜ⅰ和自支撑碳膜ⅲ之间。
64.实施例3
65.气体扩散层的制备包括：
66.(1)将95wt.％活性炭yp50f和5wt.％的粘结剂进行混合研磨，之后进行擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为50μm的自支撑碳膜ⅰ。
67.将95wt.％活化氧化还原石墨烯和5wt.％的粘结剂进行混合研磨，之后进行擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为70μm的自支撑碳膜ⅱ。
68.将80wt.％石墨烯粉末、10wt.％乙炔黑和10wt.％粘结剂进行混合研磨，之后进行擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为90μm的自支撑碳膜ⅲ。
69.本实施例的粘结剂选用质量分数为5％的聚四氟乙烯的水溶液。
70.(2)将步骤(1)制备的自支撑碳膜ⅰ、自支撑碳膜ⅱ和自支撑碳膜ⅲ按照两层自支撑碳膜ⅰ、一层自支撑碳膜ⅱ、一层自支撑碳膜ⅲ进行堆叠、冷轧，得到具有梯度孔分布的气体扩散层，单独用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层做支撑。其中，自支撑碳膜ⅰ具有更小的孔隙，靠近催化剂层设置，自支撑碳膜ⅲ具有更大的孔隙，靠近气体输入端设置，自支撑碳膜ⅱ位于自支撑碳膜ⅰ和自支撑碳膜ⅲ之间。
71.实施例4
72.气体扩散层的制备包括：
73.(1)将95wt.％活性炭yp50f和5wt.％的粘结剂进行混合研磨，之后进行擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为50μm的自支撑碳膜ⅰ。
74.将95wt.％活化氧化还原石墨烯和5wt.％的粘结剂进行混合研磨，之后进行擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为60μm的自支撑碳膜ⅱ。
75.将80wt.％石墨烯粉末、10wt.％乙炔黑和10wt.％粘结剂进行混合研磨，之后进行
擀片辊压，基于一定的辊压机双轴间距，制备出厚度为80μm的自支撑碳膜ⅲ。
76.本实施例的粘结剂选用聚偏氟乙烯。
77.(2)将步骤(1)制备的自支撑碳膜ⅰ、自支撑碳膜ⅱ和自支撑碳膜ⅲ按照两层自支撑碳膜ⅰ、两层自支撑碳膜ⅱ、一层自支撑碳膜ⅲ进行堆叠、冷轧，得到具有梯度孔分布的气体扩散层，单独用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层做支撑。其中，自支撑碳膜ⅰ具有更小的孔隙，靠近催化剂层设置，自支撑碳膜ⅲ具有更大的孔隙，靠近气体输入端设置，自支撑碳膜ⅱ位于自支撑碳膜ⅰ和自支撑碳膜ⅲ之间。
78.以上实施例仅是本发明的个别实施方式，不代表对本发明的限制，在其他实施例中，可以采用其他具有不同孔隙结构的碳材料制备具有梯度孔分布的气体扩散层，该气体扩散层具有一定的机械强度，可实现自支撑，不需要额外的基底层做支撑，可单独用作燃料电池气体扩散层，避免了原有技术的气体扩散曾包含基底层容易造成水淹的风险，降低了质子交换膜燃料电池的生产成本。
79.以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，其特征在于由至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜按照孔隙梯度堆叠形成，气体扩散层内孔隙尺寸分布范围为0.5nm-100μm，气体扩散层的厚度为200-300μm。2.如权利要求1所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，其特征在于孔隙尺寸小的自支撑碳膜靠近燃料电池催化剂层，孔隙尺寸大的自支撑碳膜靠近燃料电池气体输入端。3.如权利要求1所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，其特征在于至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜具有相同或不同的厚度，其组装成气体扩散层时堆叠层数至少为三层。4.一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将两种以上具有不同孔隙结构的碳材料作为气体扩散层梯度孔结构设计模板，每种碳材料与一定量粘结剂和导电剂混合研磨，之后通过擀片辊压的方法分别制备具有一定厚度的自支撑碳膜；(2)将步骤(1)制备的自支撑碳膜按照一定的组合顺序、组合比例和组合层数进行堆叠、冷轧，得到具有梯度孔分布的气体扩散层，该气体扩散层的厚度为200-300μm，其内部孔隙尺寸分布范围为0.5nm-100μm，其内部孔隙由小到大梯度分布；堆叠冷轧后的自支撑碳膜用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层做支撑。5.如权利要求4所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤(1)中，碳材料与导电剂、粘结剂按照质量比为(8-9.5)：(1-0)：(1-0.5)进行混合研磨。6.如权利要求4所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤(1)中，滚轴宽度设定为0-400μm。7.如权利要求4所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤(2)中，不同孔隙结构的自支撑碳膜按照三层或者三层以上的层数进行堆叠、冷轧组装，不同孔隙结构的自支撑碳膜堆叠组装时具有相同或不同的厚度和质量比，最终制备的气体扩散层厚度控制在200-300μm。8.如权利要求4所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于碳材料选用活性炭yp50f、活化氧化还原石墨烯和石墨烯，导电剂选用乙炔黑、科琴黑、石墨烯和碳管中的任意一种，粘结剂选用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羟甲基纤维素、丁苯橡胶、聚丙烯酸和聚乙烯醇中的任意一种。9.如权利要求8所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于制备活性炭自支撑碳膜时，活性炭与粘结剂所占的质量百分数分别为95％和5％；制备活化氧化还原石墨烯自支撑碳膜时，活化氧化还原石墨烯与粘结剂所占的质量百分数分别为95％和5％；制备石墨烯自支撑碳膜时，石墨烯与导电剂和粘结剂所占的质量百分数分别为80％、10％、10％。10.如权利要求9所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于粘结剂选用聚四氟乙烯的水溶液或者聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯的水溶液中聚四氟乙烯的质量分数为5％。

技术总结
本发明涉及一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层及其制备方法，该气体扩散层由至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜按照孔隙梯度堆叠形成，气体扩散层内孔隙尺寸分布范围为0.5nm-100μm，气体扩散层的厚度为200-300μm。本发明选用具有不同孔隙结构的碳材料与粘结剂和导电剂混合研磨，经擀片辊压分别制备自支撑碳膜，将自支撑碳膜按照孔隙大小进行堆叠组装，制备成具有梯度孔分布的气体扩散层，该气体扩散层机械强度高、稳定性好、厚度可调，不需额外基底层作为支撑。本发明简化了气体扩散层内部结构，自支撑碳膜梯度孔结构设计，避免了基底层水淹的风险。避免了基底层水淹的风险。避免了基底层水淹的风险。


技术研发人员：苏小利 武超 师帅 周成群 宋丽君 董红政
受保护的技术使用者：洛阳理工学院
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/14