[发明专利]一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法。

背景技术

燃料电池以其高效、污染小、可靠性高及易维护等诸多优点，被誉为是继水力、火力和核能之后的第四代发电装置。而质子交换膜燃料电池(PEMFC)又是其中适应性最广的燃料电池类型。PEMFC是目前较成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术。由于其使用可再生的能源资源——氢气，生成反应物为水，实现了零排放。

在PEMFC中，为了改善催化层与气体扩散层(Gas Diffion Layer，GDL)之间接触性能，目前，通常的做法是在多孔碳纸或碳布上增加一层微孔层(Micro-Porous Layer，MPL)，来解决催化层与气体扩散层之间接触的问题，例如美国专利US2003/009189，US6733915，US6127059以及中国专利98109696，96198611等认为在疏水处理多孔基材上均匀的涂覆一层由导电碳黑和疏水剂组成的微孔层能够有效的解决催化层与气体扩散层之间的接触问题。然而，Lin等人的研究结果表明：随着燃料电池中的液态水对MPL与基底层的冲洗时间增长，使得其中疏水聚合物的流失，从而导致MPL中碳粉的松弛使得接触电阻增大及亲水孔的比例增大而产生“水淹电极”，最终使电池性能的下降(Energy & Fuel 2008，22，2533-2538)。

因此，不仅需要通过对气体扩散层(GDL)的结构和失效机理进行研究，更需要对从GDL的疏水工艺进行改善，使得GDL内部材料界面之间粘结更加稳定。

发明内容

为了能够提高质子交换膜燃料电池在长期高湿度环境中的催化层与气体扩散层之间接触性能，从而提升燃料电池的耐久性，本发明提供了一种气体扩散层的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：如图2所示，

一种燃料电池用气体扩散层，它至少包括多孔基材1、微孔层2，微孔层复合在多孔基材靠近催化层一侧的表面；其多孔基材和微孔层中均含有疏水功能的氟聚合物，多孔基材和微孔层中含的有疏水功能的氟聚合物只经历过一次同时烧结处理。

本发明的一种燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征是，包括如下步骤：

1)多孔基材的预处理：将多孔基材放入质量浓度为5％至80％的氟聚合物乳液中放置5至60分钟，取出后在室温下晾干或者在40℃至200℃下加热烘干；

2)微孔层料浆的制备：将碳黑与沸点为80℃至140℃的溶剂以及质量浓度为5％至80％的氟聚合物乳液混合后均匀分散，碳黑与氟聚合物质量比为1∶0.01～1；

3)微孔层与多孔基材的复合：采用涂膏、浇铸、滚压、喷涂、印刷或涂布方法在10℃至70℃的温度下通过叠层复合将步骤2)得到的微孔层料浆复合在步骤1)预处理后的多孔基材上；

4)将步骤3)中复合体依据其中氟聚合物种类不同，放入210℃至400℃范围内进行烧结5分钟至120分钟后取出，得到气体扩散层。

本发明的技术方案中：所述的多孔基材为碳纸、碳布或多孔金属网。

所述的氟聚合物乳液为聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液或者聚全氟乙丙烯乳液。

所述碳黑为多孔导电碳黑、乙炔黑的粉末、碳纳米管或者活性炭微粉。

所述的沸点为80℃至140℃的溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、甲苯或水中的一种或两种以上的混合。任意两种以上的混合时的混合配比为任意配比。

而传统的多次烧结工艺一般是先在340℃至400℃下烧结步骤1)中经预处理的多孔基材，再涂敷微孔层料浆，然后再烧结处理一次，相比于这种传统的经过多次烧结工艺制备的气体扩散层，本发明具有以下优点：

1.本发明中只经历一次烧结的气体扩散层中氟聚合物避免了多次烧结后导致聚合物的老化；

2.由于多孔基材1和微孔层2中的氟聚合物经历一次性的同时烧结，使得两者界面粘结力增强。

附图说明

图1组装的膜电极(MEA)示意图

图2为本发明的气体扩散层结构示意图

图3实施例1，实施例2，实施例3，实施例4和比较实施例所制得的气体扩散层的组装的电池性能图。

图中：1多孔基材，2微孔层，3催化层、4质子交换膜、5催化剂层、6微孔层，7多孔基材。

具体实施方式

实施例1：