[发明专利]用于质子交换膜燃料电池的阴极扩散层及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池的扩散层，具体地说是一种用于质子交换膜燃料电池的阴极扩散层及其制备和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于其高效、环境友好等特点，近年来受到各国研究机构的密切关注。其核心部件膜电极(MEA)组件通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜热压组成。气体扩散层由支撑层和微孔层组成，具有支撑催化层、收集电流和传导反应气体等多项功能。

其中扩散层对反应物和反应产物的传质速率的控制对电池性能至关重要。

实际应用中，为简化系统结构，保证能量转换效率，质子交换膜燃料电池的阴极部分通常采用“自呼吸”式进料或者低空气流速进料。因此，对反应物氧具有高传输能力的阴极扩散层对提高质子交换膜燃料电池的性能至关重要。

目前，常见的扩散层的制备方法为：将碳粉分散在乙醇溶剂中，同时在其中加入PTFE水分散剂配置成浆液，然后将该浆液通过刮涂，喷涂，丝网印刷等不同工艺手段，担载在碳纸，碳布等支撑材料表面形成扩散层。常规方法制备的阴极扩散层在电池低空气流量运行时，其中的孔道因为水排出速率的降低而大量堵塞，阻碍了其中气体的传输，从而限制了“自呼吸”式进料或者是低空气流速进料的电池的性能。

目前的专利中通常通过改善阴极扩散层层中水的排出速率来解决这一问题。中国专利02136605.5提供了一种气体扩散层电极的制备方法，将质量比3～60％的60％聚四氟乙烯乳液加入到多孔导电材料中，然后在200℃下对其热处理2～6小时，使聚四氟乙烯在玻璃化稳定附近软化，均匀覆盖多孔材料，形成高疏水化的孔道，降低气液传输的阻力。美国专利2004/0191605在网状导电材料上US 6890680B2提出一种方法，通过使用模具在扩散层微孔层制备过程中形成规则图案，从而在扩散层中形成气体和水的高传输率通道，进而提高电池性能。美国专利US2004/0086778A1在扩散层微孔层沿质子交换膜平面的方向形成不同的疏水性，优化各反应部位反应速度和扩散层传质能力的关系，改善电池内部反应物的传输限制对性能的负面影响。

欧洲专利DE 19840 519公开一种由具有不同孔隙率的子结构组成的双层扩散层设计。通过在扩散层中引入梯度孔隙率，产生了更好的气体传输通道，降低了水堵塞孔道的影响。美国专利US7638225B2中，引入了一种具有质子传导能力的多孔材料作为扩散层，并将其置于质子交换膜与催化层之间，使催化层与外界氧直接接触，催化层内只完成水的传递，从而解决低空气流量下水气传输的矛盾。

综上，目前的方法还主要集中在通过改变扩散层疏水性和孔道结构的分布，从而优化水气传质。对于引入具有储氧性质物质，在水堵塞的扩散层中形成氧传质通道，解决电池在自呼吸或低空气流量模式运行时阴极物质传质受阻的问题，还没有相关的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于质子交换膜燃料电池的阴极扩散层及其制备和应用，扩散层具有高效氧传输能力，该扩散层可用作“自呼吸”式进料或低空气流速进料的质子交换膜燃料电池的阴极扩散层。

为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：

用于质子交换膜燃料电池的阴极扩散层，所述扩散层以单面憎水化处理的碳纸或碳布作为支撑层、于支撑层上憎水化处理的表面侧制备有微孔层；

所述微孔层由储氧材料粉末、碳粉和PTFE组成，储氧材料粉末的用量为碳粉质量的5-10％，PTFE的用量为碳粉质量的0.6-1.6倍。

所述储氧材料为CeO₂，ZrO₂，Gd_xCe_1-xO₂(0＜x＜0.5)，Sm_xCe_1-xO2(0＜x＜0.5)，Ce_xZr_1-xO₂(0＜x＜0.5)，TiO₂，SnO₂，InO₂，Sb₂O₅中的一种或两种以上的混合物。

所述碳粉为XC-72R、BP2000、乙炔黑、碳纳米管、氧化石墨中的一种或两种以上的混合物。

所述支撑层上微孔层的载量以碳粉载量计为1-2mg/cm²。

一种气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：