[发明专利]一种膜电极用扩散层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有高功率密度的膜电极用扩散层及其制备方法，首先采用电化学方法对扩散层基底进行表面修饰，在其表面沉积具有导电性的聚1，5‑二氨基蒽醌，然后进行高温热处理形成由单层颗粒相互连接的聚1，5‑二氨基蒽醌多孔网络结构，再在其表面涂覆一层微孔层；采用上述改性处理得到的扩散层能够大大改善燃料电池在高电流密度下的传质能力和水淹现象，有效提升燃料电池在高电流密度下的输出功率。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种具有高功率密度的膜电极用扩散层及其制备方法。

背景技术

燃料电池是通过氢气(燃料)和氧气(氧化剂)之间的电化学反应将储存在氢气和氧气的化学能转化为电能的装置，是化学能转化为电能的最新兴的电化学技术之一。燃料电池具有能量密度高，启动快，零排放无污染等特点，因此成为当今各国研究的热点。

膜电极用扩散层主要由导电的多孔材料构成，其作用是支撑催化层、稳定电极结构并具有传递气体、排出水分等作用，是影响电极性能的关键部件之一。理想的膜电极用扩散层应具有良好的导电性、良好的排水性和良好的透气性。然而，传统的碳纸疏水处理方法，通常将碳纸直接浸泡在憎水乳液中，进行憎水处理，这种处理方法导致碳纸的内部憎水物质不能分布均匀，增加了传质极化，给气体传输和分配带来了不利的影响，降低了燃料电池在高电流密度下的输出功率。

燃料电池的成本及耐久性问题依然是阻碍其进一步应用的关键因素。提高燃料电池功率密度可以让单位面积的燃料电池输出更多功率，不仅可以大幅度提升燃料电池比功率密度，还可以减少膜电极使用量，降低成本。高功率密度意味着高输出电流密度。提高燃料电池电堆功率密度主要有两种实现方式：1)降低电堆双极板厚度、减少电池体积；2)加快电化学反应过程、提高输出电流密度。目前燃料电池电堆主要使用金属双极板，而金属双极板的板材厚度已经减至0.1mm，同时流道深度也已经降到0.3～0.4mm，这意味着进一步减少厚度的空间非常有限。因此通过加快电化学反应过程、提高输出电流密度是提高功率密度的主要发展方向。

目前，以丰田为代表的国际燃料电池技术已经达到2.4～3.0A/cm²、0.5～0.6V的技术水平。而在国内，如果要实现燃料电池汽车发展路线图规划的目标(2030年达到体积比功率4.0kW/L)，电流密度必须达到3.0A/cm²左右。因此，燃料电池的输出电流密度需要从目前的1.0～1.5A/cm²，提高到2.5～3.0A/cm²，相对于目前水平提高一倍以上。因此，进一步寻找膜电极用扩散层改善燃料电池在高电流密度下的传质能力与水管理能力，提高燃料电池的输出功率，具有重要的研究和应用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高功率密度的膜电极用扩散层，通过对扩散层基底进行电化学表面修饰，在其表面沉积具有导电性的聚1，5二氨基蒽醌，并经高温热处理形成由单层颗粒相互连接的聚1，5-二氨基蒽醌多孔网络结构，所得膜电极用扩散层能够大大改善燃料电池在高电流密度下的气体传输和水淹现象，大幅度提升燃料电池在高电流密度下的输出功率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种膜电极用扩散层，它包括改性扩散层基底和微孔层，其中改性扩散层基底由粒径为300-400nm的聚1，5-二氨基蒽醌颗粒均匀包覆在扩散层基底表面而成，所述聚1，5-二氨基蒽醌颗粒之间相互连接，在扩散层基底表面形成多孔网络结构。

上述方案中，所述扩散层基底可选用碳纸或碳布等。

上述方案中，所述聚1，5-二氨基蒽醌层通过将扩散层基底置于1，5-二氨基蒽醌电解液中进行电化学沉积，再经高温热处理而成。