[发明专利]微孔层、气体扩散层及其制备方法、燃料电池

说明书

本发明公开了一种微孔层、气体扩散层及其制备方法、燃料电池。本发明的微孔层包括平整部分和设置在所述平整部分上的多个凸起模块；所述凸起模块间隔设置，所述凸起模块的间距为0.05～0.6mm，所述凸起模块的高度为2～10μm。本发明的气体扩散层不容易发生水淹、大幅提升了气体扩散层的质量传输效率，提高了燃料电池极限电流密度，并且本发明的微孔层和气体扩散层制备方法简单、价格低廉、适宜商业化。

技术领域

本发明具体涉及一种微孔层、气体扩散层及其制备方法、燃料电池。

背景技术

随着社会经济的快速发展，能源需求不断增大和环境污染问题日益严峻，发展高效可靠、环境友好型绿色能源受到各国的重视。为实现良好的能源转化，电化学催化作为一种实现能量转化与存储的高效且便捷的方式，对于新型储能的应用有着重要的意义。其中，气体扩散层在能量转化过程中扮演着重要作用。

气体扩散层由微孔层和基底层组成，其中微孔层的孔隙率为60-90％，由碳材料和粘结剂组成，可以为催化层提供机械支持、减小催化剂层和气体扩散层之间的接触电阻、降低催化层和气体扩散层水淹的概率和减少质量传输限制。微孔层的制备主要包括三个步骤：浆料的制备、沉积和烧结。具体地，将碳材料与分散在水中的粘结剂进行机械混合，产生的浆液沉积在基底层的表面，沉积完成后进行热处理，将完全干燥的气体扩散层在较高的温度下烧结，使碳材料很好地粘结在基底层的表面。

目前针对气体扩散层的工作已经做了很多。中国专利文献CN112761025A公开了一种气体扩散层，该扩散层为多根碳纤维形成的三维交联的纤维膜，微孔与大孔连通，但该方法操作步骤繁杂，难以商业化。Antoni Forner-Cuenca等(Adv.Mater.2015,27,6317–6322)通过辐射接枝的方法，构建基底层亲疏水结构，但辐射接枝方法复杂，且仅仅针对基底层，难以进行应用推广。因此，如何开发工艺简单、价格低廉且具有高效传输效率的气体扩散层是成为燃料电池研发的重要挑战。

发明内容

本发明实际解决的技术问题是克服了现有技术中的燃料电池的气体扩散层容易水淹、质量传输效率低、制备方法复杂、成本高、难以商业化，提供了一种微孔层、气体扩散层及其制备方法、燃料电池。本发明的气体扩散层不容易发生水淹、大幅提升了气体扩散层的质量传输效率，提高了燃料电池极限电流密度，并且本发明的微孔层和气体扩散层制备方法简单、价格低廉、适宜商业化。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

本发明提供了一种微孔层，其包括平整部分和设置在所述平整部分上的多个凸起模块；所述凸起模块间隔设置，所述凸起模块的间距为0.05～0.6mm，所述凸起模块的高度为2～10μm，其中所述间距指的是相邻两个所述凸起模块之间形成的凹槽的宽度。

本发明通过在微孔层的平整部分设置多个凸起模块，从而使得凸起模块之间形成凹槽，催化层产生的水优先汇集到凹槽中，凸起模块为氧气提供传输通道，从而达到提高质量传输效率的目的。

本发明中，所述平整部分的厚度较佳地为5～15μm。

本发明中，所述凸起模块的高度较佳地为3～15μm，更佳地为5～10μm。

本发明中，所述凸起模块的高度指的是所述凸起模块相对于所述平整部分的凸起模块的高度。

本发明中，所述凸起模块的形状可为本领域常规，较佳地为柱体。

本发明中，所述凸起模块的横截面的形状可为本领域常规，较佳地为正方形、长方形和圆形中的一种或多种，更佳地为正方形，其中，所述横截面为平行于所述平整部分的截面。

其中，所述横截面的面积较佳地为0.09～0.49mm²，更佳地为0.16～0.36mm²，例如0.25mm²。