[发明专利]一种质子交换膜燃料电池扩散层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池扩散层及其制备方法。质子交换膜燃料电池扩散层的制备方法是将含石墨烯片基碳材料、碳粉及PTFE的浆料喷涂或刮涂至经过疏水处理的支撑材料表面，活化处理，即得。该方法通过添加适量的石墨片基碳材料到传统方法制备的微孔层当中，质子交换膜燃料电池扩散层的导电性能和耐腐蚀性能都得到明显的提高。

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池扩散层，具体涉及一种利用石墨烯片基碳材料改性的质子交换膜燃料电池扩散层(GDL)，还涉及其制备方法，属于燃料电池(PEMFC)电极质子交换膜制备技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池已进入商业化应用的早期阶段，但是相比于内燃机，仍具有使用寿命短、实际输出效率低等特点。因此，提升电池内部各材料的综合性能成为了关键。传统方法制备的微孔层其导电性、耐用性、可靠性都相对较低，这在一定程度上制约了燃料电池商业化大规模应用。因此，需要对微孔层大力改进以满足各种条件下的实际应用。作为传统纳米材料的代替者，石墨烯是一种二维蜂窝状排列的碳原子单层晶格，同时兼具良好的导电性和导热性等特性。Leeuwner等报导了在电极几何面积为5cm²的小电堆中加入商用石墨烯泡沫，有利于降低接触电阻、提高气体扩散层和催化剂层之间的机械完整性，以及特别是在低电流密度下的性能。然而在制备石墨烯过程中剩余的副产物石墨片却很少受到人关注。

发明内容

针对传统方法制备的扩散层(微孔层)存在导电性、耐用性、可靠性都相对较低，从而在一定程度上制约燃料电池商业化大规模应用等问题，本发明的目的是在于提供一种同时具有优异导电性和耐用性的质子交换膜燃料电池气体扩散层，可以提高燃料电池的性能。

本发明的第二个目的是在于提供一种利用石墨片基碳材料来同时改善现有质子交换膜燃料电池气体扩散层的导电性和耐用性的方法，该方法是在传统制备质子交换膜燃料电池气体扩散层过程中添加石墨片基碳材料，操作简单，原料成本低，有利于大规模生产。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池扩散层的制备方法，该方法是将含石墨烯片基碳材料、碳粉及PTFE的浆料喷涂或刮涂至经过疏水处理的支撑材料表面，活化处理，即得。

优选的方案，所述石墨烯片基碳材料在浆料中的质量百分比含量为大于0％，且小于或等于20％。石墨烯片基碳材料在浆料中的质量百分比含量较优选为5％～10％。

本发明通过将石墨片基碳材料引入到质子交换膜燃料电池微孔层中，其导电性能和耐腐蚀性能都得到了明显的提高。将石墨烯片材添加在扩散层中，石墨烯薄片容易水平堆叠形成平滑层，该致密平滑层存在于催化剂层和气体微孔层之间可以提高催化剂利用率，减少界面阻力，促进热传递，且随着石墨片基碳材料添加量增加，微孔层内部导电网络增加，导电能力增加。但是如果进一步提高石墨片基碳材料添加量，其表面也变得越来越粗糙，造成与极板界面接触不良。从而在石墨片基碳材料添加量为10wt％时，面电阻率为3.5mΩ·cm，体电阻为6.4mΩ·cm²，在所有样品中最低，且面电阻率和体电阻都低于SIGRACET公司28BC系列气体扩散层。经过1.4V加速电压腐蚀后，传统微孔层腐蚀主要集中在裂纹处，表面无明显变化。而石墨片基微孔层裂纹处受到石墨片的防护，腐蚀主要集中在粗糙的表面，并在石墨片添加量为5wt％时耐腐蚀性能最佳。其自腐蚀电位为0.2V，自腐蚀电流密度为0.0574μA·cm^-2，恒电位测试趋于稳定后腐蚀电流密度为4.32μA·cm^-2。

优选的方案，碳粉和PTFE的质量比为1～10:1，较优选的质量比为3～5:1。

优选的方案，所述浆料中包含Triton X-100分散剂，Triton X-100分散剂与碳粉的质量比为0.01～10000:1。较优选的质量比为0.1～100:1。

优选的方案，所述支撑材料为炭纸。