[发明专利]一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法

说明书

本发明公开了一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，所述气体扩散层由支撑层和微孔层组成，微孔层通过静电纺丝制得，步骤如下：（1）将导电炭黑、憎水剂、高分子聚合物、分散剂混合，经超声或机械搅拌，形成均匀的纺丝液；（2）将步骤（1）制得的纺丝液倒入注射管中进行静电纺丝，将多孔支撑层覆盖在负极接受板上收集纺丝纤维；（3）将纺丝纤维连同多孔支撑层置于充N₂烘箱中，在150‑360℃的条件下烧结0.5‑2h得到气体扩散层。本发明微孔层因采用静电纺丝技术制备，可以提高导电炭黑和憎水剂在微孔层中的均匀分散程度，进而提高微孔层的导电性能和水气传质性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法。

背景技术

在燃料电池中，气体扩散层（GDL）位于催化层和流场之间，其作用主要在于支撑催化层、收集电流，同时为反应气体和产物水的传输提供通道。其中的排水性能尤为重要，它影响反应气体的扩散及产物水的排出进而影响电池性能。典型的气体扩散层通常由支撑层和微孔层构成，支撑层是由碳纸或碳布等多孔导电介质材料构成，而微孔层一般是由碳粉和憎水性的聚四氟乙烯（PTFE）构成。美国专利U.S.5561000，中国专利公开号98109696，96198611，1658422等认为在支撑层靠近催化层的一侧涂覆微孔层能够有效地改善燃料电池内部的水气传质，进而提高电池性能。

中国专利200610047931.2，200510047370.1等介绍了将碳粉颗粒均匀分散在低沸点的乙醇、异丙醇中，然后再将一定质量分数的PTFE乳液直接加入其中形成微孔层浆液，最后将微孔层浆料涂覆在憎水处理过的支撑层表面，高温烧结后得到气体扩散层。中国专利200610068168.1介绍了采用干法制备微孔层。

中国专利200710019376.7，201310692107.2描述了采用分散剂水溶液、炭黑粉末及憎水剂组成的微孔层浆料制备气体扩散层的方法。虽然这方面的研究很多，但微孔层的制备仍是采用刷涂、喷涂等传统的制备工艺直接将微孔层浆料涂覆在支撑层表面，传统制备工艺制得的微孔层中炭黑和憎水剂PTFE分布随机且无序，难以形成连续的电子传递通道，增大欧姆电阻；同时反应气体和液态水的传递通道曲折，传递路程延长，增大传质阻力。通过改进气体扩散层的制备工艺、调控气体扩散层的微观结构及表面性质可以实现有效的水管理，改善电池内部水气两相传输，降低对系统辅助器件的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃料电池用气体扩散层的制备方法，方法简单，提高了微孔层中憎水剂与炭黑的均匀分散程度，使得微孔层的导电性和透气性能具有显著提高。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，步骤如下：

（1）将导电炭黑、憎水剂、高分子聚合物、分散剂混合，经超声或机械搅拌，形成均匀的纺丝液；

（2）将步骤（1）制得的纺丝液倒入注射管中进行静电纺丝，将多孔支撑层覆盖在负极接受板上收集纺丝纤维；

（3）将纺丝纤维连同多孔支撑层置于充N₂烘箱中，在200-360℃的条件下烧结0.5-2h得到气体扩散层。

所述步骤（1）中导电炭黑与分散剂的质量比为1:2-1:15，导电炭黑与高分子聚合物的质量比为2:1-10:1，导电炭黑与憎水剂的质量比为5:1-2:1。

所述步骤（1）中导电炭黑为乙炔黑、Vulcan XC-72、Black pearls、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨、膨胀石墨、氧化石墨烯中的一种或几种的混合物。