[发明专利]用于聚合物电解质膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池的气体扩散层及其制备方法。

背景技术

燃料电池是直接通过电化学反应将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的发电方式，具有效率高、环境友好等突出优点，被公认为解决能源安全和环境污染的关键技术之一。聚合物电解质膜燃料电池具有启动快、负载响应迅速、小型化、使用灵活等独特优点，在电动车、便携式电子设备等应用领域前景广阔。聚合物电解质膜燃料电池主要由电解质膜、催化层、气体扩散层和流场板等组件构成。气体扩散层位于流场板和催化层之间，其主要功能是在流场板和催化层之间传导电子，同时将反应气体由流场均匀地传输至催化层，并将反应生成的水快速输运至流道以免阻碍反应气体的传递。气体扩散层的好坏对聚合物电解质膜燃料电池的总体性能影响很大。高性能的气体扩散层必须由具有良好导电性的多孔材料组成，同时多孔材料还要具有非常好的憎水性。

目前，聚合物电解质膜燃料电池的扩散层主要由支撑层和微孔层组成。其中支撑层一般采用多孔的碳纸或碳布。碳纸和碳布具有良好的导电性，孔率可高达90％，并能在一定范围内调节，为了使碳纸和碳布具有良好的憎水性，需要对碳纸或碳布进行憎水处理。憎水处理效果的好坏对燃料电池性能有非常重要的影响。对碳纸或碳布进行憎水处理一般采用浸渍烧结法，即将碳纸或碳布浸入聚四氟乙烯(PTFE)和聚全氟乙丙稀(FEP)等憎水材料的乳液中，取出干燥后于300℃～350℃烧结，憎水材料则包覆于碳纸或碳布纤维表面使其获得良好的憎水性能。但是，这种憎水处理方法存在明显的问题，主要表现在PTFE和FEP等憎水材料在干燥和烧结过程中会迁移聚积到尺寸较小的微孔和碳纤维的搭界处，使得微孔和碳纤维搭界处被憎水材料填充，而大孔处的碳纤维表面却憎水材料较少，导致碳纸或碳布中憎水材料分布不均匀。因为碳纸或碳布中的微孔是产物水的主要排出通道，而大孔则是气体的主要传输通道，憎水材料分布不均匀不仅会降低碳纸或碳布的憎水性，更重要的是微孔被憎水材料填充会导致液态水的排出困难而堵塞大孔，产生水淹现象，严重影响反应气体的传递而造成很大的浓度极化。同时，碳纤维搭界处的接触电阻是气体扩散层电阻的主要来源之一，憎水材料在碳纤维搭界处的聚积会影响碳纤维间的接触从而会增加气体扩散层的电阻，产生较大的欧姆极化。无论是浓度极化还是欧姆极化的增加都会降低聚合物电解质膜燃料电池的性能，而且一般情况下憎水材料的含量越高，分布不均匀的现象越明显，其影响越严重。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的气体扩散层的碳纸或碳布中憎水材料分布不均匀所导致的气体扩散层存在较大浓度极化和欧姆极化从而降低燃料电池的性能的问题，进而提供一种用于聚合物电解质膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法。

本发明的用于聚合物电解质膜燃料电池的气体扩散层由支撑层和微孔层组成，所述微孔层覆盖在支撑层的表面上，所述支撑层由经憎水处理的多孔材料层制成，所述多孔材料层由多孔纤维层和生长在多孔纤维层的纤维上的碳纳米须组成。

本发明的用于聚合物电解质膜燃料电池的气体扩散层的制备方法是这样完成的：a、将多孔纤维层在去离子水、乙醇或丙酮溶液中用超声波清洗10～60分钟，取出后再采用二次蒸馏水洗涤至中性，然后在40℃～100℃温度下干燥1～3小时；b、在室温下采用电沉积、化学还原或热还原方法在多孔纤维层的纤维表面负载钴、镍或钴镍合金的纳米颗粒，以此作为碳纳米须生长的催化剂；c、将多孔纤维层置于管式炉中，在500℃～1000℃的温度下向管式炉中通入甲烷、乙烷、丙烷、乙烯或上述气体的混合气体1～30分钟以生长碳纳米须，然后自然降温至室温；d、将多孔纤维层浸入质量含量为5～70％的憎水材料乳液中1～15分钟，取出后在空气中或低温烘箱中干燥；e、重复步骤d至多孔纤维层增重达10％～70％，然后将多孔纤维层放入炉中在200℃～400℃的温度下烧结10～100分钟，得到支撑层；f、将碳黑和憎水材料的乳液按干料质量比10∶(1～15)混合并制备成浆料，然后通过喷涂、刮涂或刷涂法将所制浆料涂覆在支撑层的表面上，然后置于炉中在200℃～400℃温度下热处理10～100分钟，即得到要制备的气体扩散层。