[发明专利]一种燃料电池用多孔气体扩散层的后处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池用多孔气体扩散层的后处理方法。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的装置，膜电极三合一是这种装置的核心，是进行电化学反应的场所；一般由阴极、阳极及固体聚合物电解质三部分构成，而阴极及阳极都由气体扩散层和催化层组成。

燃料电池输出功率的大小与气体扩散层的结构密切相关。在燃料电池中，气体扩散层的作用主要有：为催化层上发生的三相电化学反应提供反应气：收集电化学反应的电流：排出电极反应生成的水。为此，多孔气体扩散层的结构、厚度、孔隙率以及气体传输的曲折系数等都将极大的影响三相电化学反应的速度及燃料电池的输出功率。美国专利No.4,293,396给出了一种以导电碳布为电极支撑体的气体扩散层，使用碳黑/PTFE混合物浸渍碳布，形成nm级别的开放孔结构；WO97/13287则制备出一种由两层不同孔结构的气体扩散层，第一层的孔较小，孔径为0.1-10μm，孔隙率≥10％；第二层的孔较大，平均孔径为10-35μm，孔隙率50-82％，甚至更大；，这种结构在高电流密度、低压进气、高气体利用率及反应气体增湿情况下，容易发生“水淹”现象。WO99/56335制备出的气体扩散层具有75-95％的憎水孔和5-25％的亲水孔，这两种孔在一层中共存，且处于紧密接触状态，该结构的缺点也是在增湿或有大量生成水、尤其大电流的情况下，孔径大于10μm的孔出现“水淹”现象。美国专利No.4,927,514使用金属网作为扩散层支撑体，在扩散层和活性层之间安放了一层有热塑性憎水聚合物组成的多孔粘结层，其缺点是支撑层中的开放孔比例较小，当使用空气或重整气及高气体利用率条件下，输出功率低。专利US2002/0041992A1制作的多孔气体扩散层使用TGP-H-060为支撑体，此碳纸的原始孔隙率为74.1％，平均孔径范围为20-50μm，使用憎水剂乳液或微粉对碳纸的正反两面进行憎水处理，用做阳极的憎水层厚度为10-25μm，用做阴极的憎水层厚度为5-15μm，憎水层深入到碳纸基体一定的深度，并占据该深度范围内总孔体积的20-60％，憎水层的孔隙率减小，但平均孔径与原始碳纸的孔径相当。憎水层的作用是防止液态水渗透进入碳纸本体的大孔中从而破坏其孔结构；此外，经过憎水处理的碳纸表面再施加一层由细颗粒碳粉及憎水剂组成的、厚度为5-100μm的接触层，接触层具有细孔结构，平均孔径≤10μm，这种细孔利于反应气体的传递，并且不易被冷凝水淹没。专利US6,350,539B1制备的多层气体扩散层包括吸附层和脱附层，吸附层面向电极结构的反应面，其孔径范围为0.05-2μm，其作用是从电极中吸取电极反应生成的水分，与吸附层紧密相连且背向电极方向的支撑层憎水性小于其对应层，但应保证憎水剂占据支撑体总孔隙率的20％以下的孔，与该对应层相毗邻的为脱附层，其憎水性最高，作用是导出水分。以上这几种多孔气体扩散层的制备方法烦琐，且孔径大小不易控制，大孔和小孔的比例也不易掌握。

发明内容

本发明目的在于提供一种孔径范围容易控制的多孔气体扩散层制备方法，用该方法制备的扩散层孔径范围为0.002-0.2μm，其中孔径在0.01-0.05μm孔体积占据总孔体积的70％80％。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案与特征如下：

一种燃料电池用多孔气体扩散层的处理方法，多孔气体扩散层包括电极支撑体，以及电极支撑体一侧表面设置的整平层构成，电极支撑体与整平层复合后经干燥或焙烧，

干燥或焙烧后的多孔气体扩散层再进行后续加温加压处理；

处理温度范围为50-250℃，压力处理范围为2.0-20MPa；加温加压处理时间为10-60s。

所述加温加压处理方法中，最佳后处理温度范围为100-200℃，最佳压力处理范围为5.0-20MPa。

所述多孔气体扩散层，由碳布或碳纸与整平层构成，其在后续加温加压处理前：厚度0.2mm-0.4mm，孔隙率为20％-90％，平均孔径范围0.01-0.6μm，其中孔径在0.01-0.05μm的孔占总孔体积的50％-70％；加温加压处理后：多孔气体扩散层的厚度保持在0.1-0.2mm之间，孔隙率为20％-80％，孔径范围为0.002-0.2μm，其中孔径在0.01-0.05μm的孔占总孔体积的70％-80％。