本發明涉及燃料電池，尤其涉及一種低增濕燃料電池用氣體擴散層及其制備方法和應用。
背景技術：
1、燃料電池在低濕度條件下運行時，水管理是核心挑戰。例如空冷燃料電池使用空氣作為冷卻劑，通常應用在低功率場景，比如5kw以下的設備?。空冷電堆的結構相對簡單，沒有復雜的水冷系統并依靠空氣散熱，由于沒有外部增濕設備，空氣進氣濕度可能較低，導致膜電極容易干燥，但反應生成的水又會在流道中積累，特別是在出口處。由于依靠空氣散熱，高溫會增加水的蒸發，但同時也因為氣流帶走水分，導致局部干燥。進氣口處，空氣濕度低，吸收膜中的水分，導致膜干；而在反應過程中生成的水在流道中積累，尤其是在出口處，隨著反應進行，水蒸氣在較冷的區域冷凝，形成液態水。這樣就導致進氣口附近水分較少，出口處水分較多，形成梯度。一些空冷燃料電池采用開放式流道，導致出口處積水較多。現有技術中，氣體擴散層多采用均質疏水處理，其疏水性單一，無法有效調節水分分布，質子交換膜（pem）易干燥，離子電導率下降。傳統擴散層疏水結構設計因入口缺水導致膜電阻較高，而出口又排水不暢導致電極“淹沒”，阻礙氣體傳輸。部分氣體擴散層通過調整炭黑比例優化疏水性，但缺乏動態梯度調節能力，無法適應濕度波動。
2、隨著商業化的不斷推進，適用于低濕度的氣體擴散層對排水效率、溫度控制及性能方面提出了更高的要求。因此，需要在氣體擴散層的設計中有針對性的解決低濕度工況下燃料電池水管理差，進氣口干燥出氣口積水的問題。
技術實現思路
1、本發明提供一種低增濕燃料電池用氣體擴散層及其制備方法和低增濕燃料電池，以解決低濕度工況下燃料電池水管理差，進氣口干燥出氣口積水的問題。
2、根據本發明的第一方面，本發明提供一種低增濕燃料電池用氣體擴散層，沿著所述氣體擴散層的第一方向，所述氣體擴散層具有進氣口端和出氣口端；
3、沿著所述氣體擴散層的第二方向，所述氣體擴散層包括疊層設置的基底層和微孔層，所述第一方向與所述第二方向垂直；其中，所述基底層包括多個基底等級區域，由所述進氣口端向所述出氣口端方向，多個所述基底等級區域的疏水性逐級遞增；所述微孔層包括多個微孔等級區域，由所述進氣口端向所述出氣口端方向，多個所述微孔等級區域的疏水性逐級遞增；
4、沿著所述氣體擴散層的第二方向，在所述氣體擴散層的同一位置，從基底層到微孔層，疏水性升高。
5、需要說明的是，在一些具體實施例中，第一方向是長度方向，第二方向是厚度方向。
6、本發明一種低增濕燃料電池用氣體擴散層通過在氣體擴散層的第一方向上設置疏水性逐級遞增的基底等級區域和微孔等級區域，在氣體擴散層的第一方向上從基底層到微孔層，疏水性升高，通過這樣的三維梯度疏水結構的設計能實現對燃料電池內部水分的精準調控，梯度疏水結構通過動態平衡水分分布，提升電池輸出穩定性。在進氣口端，較低的疏水性有利于水分的吸收和保持，防止膜干燥；在出氣口端，較高的疏水性有助于水分的排出，避免積水過多阻礙氣體傳輸，從而提升電池性能和穩定性，使其更好地適應低增濕條件。
7、進一步地，由所述進氣口端向所述出氣口端方向，多個所述微孔等級區域的表面接觸角按2~10°的梯度差逐級遞增。通過將微孔層表面接觸角的梯度差限定在合理的范圍值內，確保了微孔層在不同區域具有合適的疏水性。這有助于進一步細化水分在微孔層中的分布和傳輸，使水分既能被有效排出，又能保持一定程度的濕潤，以維持質子交換膜的離子電導率，進而提高電池的運行效率和穩定性。
8、進一步地，所述微孔層的表面接觸角為140°~155°。通過將微孔層表面接觸角限定在合理的范圍值內，能進一步確保微孔層在不同區域具有合適的疏水性，更有助于進一步細化水分在微孔層中的分布和傳輸，進而更有利于提高電池的運行效率和穩定性。
9、進一步地，由所述進氣口端向所述出氣口端方向，多個所述基底等級區域的表面接觸角按5~20°的梯度差逐級遞增；通過將基底層表面接觸角的梯度差限定在合理的范圍值內，使得基底層能夠更好地配合微孔層進行水分管理。進氣口端基底層較低的接觸角有利于吸收空氣中的水分，為膜提供必要的濕度；出氣口端較高的接觸角則有助于將水分向微孔層傳輸，促進水分的排出，進一步提升了電池在低濕度條件下的性能和穩定性。
10、進一步地，所述基底層的表面接觸角為130°~145°。
11、進一步地，沿著所述氣體擴散層的第二方向，在所述氣體擴散層的同一位置，從基底層到微孔層，表面接觸角按5~20°的梯度差升高。通過將在同一位置從基底層到微孔層的表面接觸角梯度限定在合理的范圍值內，確保了在垂直方向上水分能夠順利地從基底層向微孔層傳輸，并最終排出。這種設計有助于形成良好的水分梯度，使水分在氣體擴散層內的分布更加合理，進一步提高了電池的排水效率和運行穩定性。
12、進一步地，由所述進氣口端向所述出氣口端方向，所述基底層包括第一基底等級區域和第二基底等級區域，所述微孔層包括第一微孔等級區域和第二微孔等級區域；
13、其中，所述第一基底等級區域的表面接觸角為130°~138°，所述第二基底等級區域的表面接觸角為142°~145°；所述第一微孔等級區域的表面接觸角為143°~146°，所述第二微孔等級區域的表面接觸角為150°~153°。
14、上述方案給出了基底層和微孔層各等級區域更具體的接觸角范圍，使得氣體擴散層的疏水性分布更加精確，這有助于在實際生產中更好地控制氣體擴散層的性能，確保其在不同區域的疏水性能夠滿足燃料電池在低增濕條件下的精確水管理需求，從而進一步提升電池性能。
15、根據本發明的第二方面，本發明還提供上述的低增濕燃料電池用氣體擴散層的制備方法，包括如下步驟：
16、由所述氣體擴散層的進氣口端向出氣口端方向，將親水性基底層的不同區域依次浸漬在具有不同基底疏水劑濃度的基底層疏水處理液中，烘干，形成疏水性逐級遞增的多個基底等級區域；
17、在每個所述基底等級區域上，通過絲網印刷工藝涂覆具有不同親水性碳材料、疏水性碳材料和微孔疏水劑重量比的微孔層疏水處理液中，烘干，以在每個所述基底等級區域上形成相對應的微孔等級區域，得到氣體擴散層前驅體；
18、將所述氣體擴散層前驅體進行焙燒，得到低增濕燃料電池用氣體擴散層。
19、上述方案提供了一種低增濕燃料電池用氣體擴散層的制備方法，通過依次浸漬基底層不同區域于不同疏水劑濃度的處理液中，以及在基底層上涂覆不同配比的微孔層疏水處理液，能夠有效地實現氣體擴散層的三維梯度疏水結構。該制備方法具有可操作性強、易于控制等優點，有利于在實際生產中制備出性能優良的氣體擴散層，推動該技術在低增濕燃料電池領域的應用。
20、進一步地，所述微孔層疏水處理液中，由所述進氣口端向所述出氣口端方向，多個所述微孔等級區域的微孔疏水劑含量逐級增加，親水性碳材料含量逐級減少，疏水性碳材料含量逐級增加；
21、所述親水性碳材料為含有親水基團的炭黑、含有親水基團的單壁碳納米管和含有親水基團的多壁碳納米管中的一種或幾種，所述親水基團包括羥基、羧基或硅烷基；所述疏水性碳材料選自石墨、乙炔黑、單壁碳納米管和多壁碳納米管中的一種或幾種；所述微孔疏水劑為聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物中的一種或多種。
22、上述方案規定了微孔層疏水處理液中各成分的種類和含量變化趨勢，為微孔層的疏水性梯度設計提供了具體的實現手段。通過調整親水性碳材料、疏水性碳材料和微孔疏水劑的重量比，能夠精確控制微孔層在不同區域的疏水性，進一步提升了氣體擴散層的水分管理能力，增強了電池性能。
23、進一步地，所述親水性碳材料為羥基化多壁碳納米管，且羥基化多壁碳納米管的內徑為3~15nm，外徑為5~50nm，長度為0.5~30μm。
24、上述方案限定了親水性碳材料的具體類型和物理特性，如羥基化多壁碳納米管的內徑、外徑和長度等，這些特性參數的限定有助于確保親水性碳材料在微孔層中能夠發揮良好的保水和水分傳輸作用，進一步優化了微孔層的性能，提高了電池在低濕度條件下的運行穩定性。
25、進一步地，所述基底層疏水處理液中，由所述進氣口端向所述出氣口端方向，多個所述基底等級區域的基底疏水劑含量逐級增加；所述基底疏水劑為聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物中的一種或多種。
26、上述方案規定了基底層疏水處理液中基底疏水劑的種類和含量變化趨勢，為基底層的疏水性梯度設計提供了具體的實現方法。通過逐級增加基底疏水劑含量，能夠使基底層在不同區域的疏水性滿足燃料電池水管理的需求，增強了基底層對水分的調控能力，進而提升了整個氣體擴散層的性能。
27、根據本發明的第三方面，本發明還提供一種低增濕燃料電池，包括上述的低增濕燃料電池用氣體擴散層或者采用上述的制備方法制備而成的低增濕燃料電池用氣體擴散層。
28、通過采用具有三維梯度疏水結構的氣體擴散層或采用上述制備方法得到的氣體擴散層，低增濕燃料電池能夠實現更好的水管理，有效解決了進氣口干燥和出氣口積水的問題，這使得燃料電池在低增濕條件下能夠保持較高的性能和穩定性，延長了電池的使用壽命，為其在各種低功率場景下的廣泛應用提供了有力支持，推動了燃料電池技術的商業化發展。
29、本發明的有益效果：
30、本發明提供的一種低增濕燃料電池用氣體擴散層通過三維梯度疏水結構的設計，實現了對燃料電池內部水分的精準調控。在進氣口端，較低的疏水性有利于水分的吸收和保持，防止膜干燥；在出氣口端，較高的疏水性有助于水分的排出，避免積水過多阻礙氣體傳輸，從而提升了電池性能和穩定性。在無外部加濕條件下，梯度疏水結構能夠通過動態平衡水分分布，使燃料電池在低濕度工況下保持良好的運行狀態，提升了電池的輸出穩定性和使用壽命。
31、本發明提供的一種低增濕燃料電池用氣體擴散層具有低濕度保水、高濕度高效排水的特點，能夠根據燃料電池內部的濕度變化自動調節水分分布，有效解決了傳統氣體擴散層在低濕度時易干燥、高濕度時排水不暢的問題，提高了燃料電池的排水效率。
32、本發明提供的一種低增濕燃料電池用氣體擴散層通過親水性炭黑和疏水性炭黑的梯度分布，微孔層在不同區域實現了保水和排水功能的優化。進氣口區域較高的親水性炭黑含量有助于保水，出氣口區域較高的疏水性炭黑含量則有利于排水，進一步提升了燃料電池的排水性能。