[发明专利]一种燃料电池导电气体扩散层及其制备方法

说明书

本发明提供一种燃料电池导电气体扩散层及其制备方法，所述扩散层包括多孔导电基底，还包括附着在多孔导电基底至少一侧的导电多孔微孔层，所述多孔导电基底为碳纤维织物、碳纸或碳布；所述碳纤维织物为织造或非织造。本方法实现微孔层内电子导电材料和憎水高分子粘结剂在微纳尺度上的均匀分布，避免两者局部团聚和物相分离，制备的气体扩散层的微孔层微、纳尺度上组成及结构精确可控，可任意设计以满足气体扩散层气液传输的功能需求，避免燃料电池放电过程中的液淹。

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体而言，涉及一种气体扩散层及其制备方法和燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将燃料分子的化学能直接转化为电能的电化学反应装置，具有能量效率高、环境污染小等诸多优点。相对其他类型燃料电池，质子交换膜燃料的阳极反应为氢气的氧化反应，阴极为氧气的还原反应，排出产物为水，是一类洁净能源，有望在车载动力、军需装置、移动与便携式能源设备上得到广泛应用。

膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，主要包括固体质子交换膜、催化层、气体扩散层组成。其中多孔气体扩散层在膜电极中主要起支撑催化层、稳定电极结构，同时为电极反应提供反应物导入和分配通道、电子通道和产物排出通道等多种功能，是膜电极的核心组件之一。通常的气体扩散层包括导电基底和微孔层，其中比较常用的基底材料有碳纤维纸、碳纤维布、碳纤维毡等，其主要功能是支撑，使得气体扩散电极具有一定的机械强度和形状；微孔层通常是通过丝印、喷涂或涂布工艺将憎水高分子粘结剂和导电碳颗粒的混合物涂覆在导电基底上而形成。燃料电池放电过程中，气体扩散层在导入、分配反应气体(氢气和空气)的同时需要将生成的产物水及时排出电池外部，以防止生成的水蒸汽凝聚成水滴，堵塞气体扩散层的孔道，进而影响反应气体向催化层及催化剂表面的供给，电极发生液淹，影响电池的放电性能和运行寿命。

为了避免电极液淹，需要开发高性能的气体扩散层，该气体扩散层在保持较好气体扩散性能的同时还应具有较好的排水性。目前通常的策略是通过导电基底或微孔层进行PTFE浸渍疏水处理以提高疏水性。由于支撑层的碳纤维直径相对较大(8-10um)，相应形成的支撑层的孔径也较大，即使经过PTFE憎液处理，堵塞一部分的孔结构，但所形成的孔结构仍然过大(2um)，水蒸气容易在大孔内凝聚，形成大水滴，引起液淹，影响反应气体的扩散。微孔层可对支撑层的大孔结构进行部分填充整平，降低支撑层的粗糙度和孔结构。根据Young-Laplace 方程(△p＝γ/r)，憎水孔r的半径越大，液体内、外的表面压力差△p越小，该孔就越容易被液体浸润，发生液淹。基于微孔层的填充整平可有效降低气体扩散层的孔道大小，提高液体里、外的压力差，进而改善气体扩散层的排水能力。但现有气体扩散层的结构及工艺由于多采用PTFE树脂和导电碳粉经机械混合制备的混合物浆液直接涂覆在支撑层表面形成，由于导电碳粉和高分子粘结剂如 PTFE在分子结构、表面物理性质、溶解度等方面的差异，上述浆液制备的微孔层中导电碳粉和高分子粘结剂容易各自团聚，发生分相，从而在在微孔层表面造成大量的裂纹和较大的孔结构，表面粗糙度大，会引起液体水的不均匀凝聚聚结，引起电极液淹；同时还会造成催化剂的浪费(填埋进入微孔层裂缝中的催化剂多为无效)，而且微孔层较大的表面粗糙度同时还会诱发催化层表面的粗糙不平，在热压电极时损伤电解质膜，造成膜电极的串漏。

为改善微孔层孔结构的均匀性和其表面粗糙度，专利文献1(日本特开2015 －79639号公报)中提出了一种气体扩散电极的制备技术，首先通过刮刀涂布法在支撑层表面形成微孔层，然后再冲压成型降低其表面粗糙度，但冲压成型过程中易破坏微孔层的孔结构，降低反应气体扩散性能，进而影响电池放电性能；中国发明专利CN107851805则通过构筑双微孔层策略来改善气体扩散层的表面粗糙度，其中与导电基底层接触的第一微孔层主要成分为导电碳球，而第二微孔层具有线状结构的导电材料(线状导电材料的长径比为30-5000)。上述方案要么是通过气体扩散层的成型工艺，要么是通过调变气体扩散层的结构组成，微孔层由单层变为多层，降低微孔层表面的粗糙度，缺乏通过微孔层主要成分微区组分/ 结构的调节方面入手强化对微孔层的宏观孔隙结构及粗糙度的调控，气体扩散层的可设计性低，难以结合物料传递的理论模拟技术进行计算和优化设计。

发明内容