[发明专利]一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用，该气体扩散层经疏水处理，之后在所述气体扩散层上赋予形状可控的亲水区域。所述亲水区域是由亲水小分子在所述气体扩散层中自组装而形成的亲水膜结构，其膜结构厚度取决于该小分子直径大小，其亲水能力取决于该小分子所含的亲水基团的强弱。所述亲水区域穿过整个气体扩散层厚度的至少一部分。这种气体扩散层内亲水疏水区域的协调结构，能够根据不同工况需求进行调整，且这种调控能够同时满足平面和纵深的结构设计。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置，具有能量密度高，利用率高、清洁安静等优点，是一种高效的能量转化装置。其中质子交换膜燃料电池由质子交换膜、阴阳极催化层及气体扩散层构成，气体扩散层又可以进一步分为支撑层与微孔层。氢气在阳极催化剂的作用下转化为质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路到达阴极。氧气进入阴极扩散层后，在阴极催化剂的作用下得到电子，与质子反应生成水。

由于质子导电率与水含量直接相关，因此燃料电池的质子交换膜在工作状态必须含有足够的水分。但如果燃料电池中的水太多则会导致水淹，导致气体无法进入催化层，阻碍电池反应的继续进行。因此必须对燃料电池进行有效的水管理，从而使燃料电池能够适应宽幅湿度的工况条件。

针对上述问题，中国专利201280074792.6提出了一种膜电极组件的制备方案。其方案中微孔层油墨包括悬浮介质、具有小于每克碳0.1mol浓度羧基的第一炭黑、疏水性添加剂和亲水性添加剂。亲水性添加剂选自氧化锡、二氧化钛、以及第二炭黑，第二炭黑具有比第一炭黑更大的羧基浓度。并发现在高温工况，亲水性添加剂增强了催化剂层离聚物的水合程度，从而改进了传导性和通过离聚物薄膜的氧传输。在低温工况、亲水性添加剂帮助快速地从催化剂孔隙中吸出水分，从而改善催化层中的氧气传输速率。该方案利用亲水性的氧化物作为添加剂确实能够达到水平衡的效果，然而氧化物的导电性较差，这将导致燃料电池整体的阻抗增加，造成电池性能的下降。同时在经过长时间的工况运行后，氧化物容易发生移位或脱落，造成电池的耐久性急剧下降。

中国专利200610167389.4提出了一种燃料电池膜电极,该膜电极依次包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层，所述气体扩散层包括导电载体和负载在所述导电载体上的导电剂和粘合剂，其中所述阳极气体扩散层中的粘合剂为亲水性粘合剂，具体为磺酸树脂或氟化磺酸树脂。与上一个专利相似，该专利以高分子树脂作为亲水物质同样会造成阻抗增加、耐久性下降的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用，本发明气体扩散层含亲水疏水协调结构，气体扩散层的疏水处理与亲水结构设计彼此独立，避免在气体扩散层的支撑层和微孔层浆料制备过程中，由于同时加入疏水剂和亲水剂而对浆料稳定性造成的冲击。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种燃料电池用气体扩散层，该气体扩散层经疏水处理，之后在所述气体扩散层上赋予形状可控的亲水区域，所述亲水区域穿过整个气体扩散层厚度的至少一部分。

所述亲水区域是由亲水小分子在所述气体扩散层中自组装而形成的亲水膜结构，亲水膜结构厚度取决于该小分子直径大小，其亲水能力取决于该小分子所含的亲水基团的强弱。这种气体扩散层内亲水疏水区域的协调结构，能够根据不同工况需求进行调整，且这种调控能够同时满足平面和纵深的结构设计。

优选地，所述疏水处理是利用疏水剂浸泡所述气体扩散层的支撑层、在所述气体扩散层的微孔层中添加疏水剂，或缩小微孔层的孔径中的一种或多种。

优选地，所述疏水剂选自聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚偏氟乙烯乳液或聚六氟丙烯乳液中的一种或多种。