[发明专利]一种质子交换膜燃料电池用气体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用气体扩散层，包含多孔支撑层和微孔层，所述多孔支撑层经过憎水处理；所述微孔层由下述方法制备得到：S1.将亲水改性的导电树脂粉、亲水改性的导电介质粉和疏水剂粉，充分混合均匀得到复合微孔层干粉料；S2.将复合微孔层干粉料均匀涂覆在多孔支撑层靠近催化层一侧的表面；S3.将涂覆有复合微孔层干粉料层的多孔支撑层经过热处理后，附着在多孔支撑层靠近催化层一侧表面的涂层即为所述微孔层。本发明制备得到的微孔层显著减缓了导电介质与其他粉料随机无序排布的问题。且热处理温度只要满足热塑性树脂的热熔温度范围即可，微孔层可牢固的粘结在多孔支撑层表面，同时能够满足“薄型化”发展要求。

技术领域

本发明高分子材料相关技术领域，具体为一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是发展最成熟，最接近于商业应用的燃料电池。燃料电池的核心部件为膜电极，通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。其中，气体扩散层是影响电极性能的关键部件之一，气体扩散层在质子交换膜燃料电池膜电极中主要有五个作用：第一、支撑起质子交换膜和催化层；第二，将流场流道内的阴阳极反应气体通过分子扩散和努森扩散传输到催化剂表面；第三，将催化层产生的电子传输到极板。第四，催化剂层生产的水在气体扩散层通过毛细效应和浓差扩散等传输到流道及时排除，避免出现传质极化。第五，有时，气体扩散层承担起催化层附着的功能，将催化层直接涂覆在气体扩散层表面。

质子交换膜燃料电池用气体扩散层通常由支撑层和微孔层组成。支撑层主要由多孔碳纸、多孔碳布等多孔介质材料构成，其厚度约100-400μm，平均孔径通常大于10μm，主要用于是传输反应气体、支撑微孔层和催化层。微孔层一般由碳粉和憎水性的聚四氟乙烯构成，其厚度约为10-100μm，主要用于是改善支撑层的孔隙结构、降低支撑层和相邻催化层之间的接触电阻、再分配产物水和反应气体、防止催化层水淹、防止催化层渗透到支撑层等。可见，在质子交换膜燃料电池用气体扩散层中，微孔层起着非常重要的作用。

现有技术中，微孔层的制备方法包括湿法和干法。其中：湿法需要用到有机溶剂，有机溶剂会对组份中的亲水/憎水改性基团造成影响，进而导致微孔层微观结构的不稳定。且由于浆料的比重较大，易渗入到多孔支撑层的内部，对浆料量的控制要求较高。

现有的干法一般采用负压喷涂法、刮涂法或滚压法将微孔层干粉料复合到多孔支撑层表面，最后热处理得到气体扩散层。但是现有的干法存在以下问题：1.微孔层中导电介质与其他粉料随机无序排布，导致微孔层中难以形成连续的电子传递通道，使得微孔层的欧姆电阻增大。同时导电介质与其他粉料随机无序排布还会导致反应气体和液态水的传递通道曲折，传递路程延长，从而增大了传质阻力。2.导电碳粉使气体扩散层具有导电性，疏水剂使得其具有疏水性，但热压粘合后的微孔层易形成致密的连续膜，孔隙结构断裂或消失，导致无法保证形成连续和畅通的水气热传输通道，进而使得微孔层的水气热管理能力下降，电池性能下降。3.在干法制备工艺中，微孔层组成配方为疏水剂粉末/导电碳粉粉末，简单的热处理工艺形成的微孔层非常容易脱落，导致电池性能下降，电池寿命缩短。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种新的质子交换膜燃料电池用气体扩散层制备方法，以解决现有干法制备质子交换膜燃料电池用气体扩散层存在的：1.微孔层中导电介质与其他粉料随机无序排布的问题。2.热压粘合后微孔层易形成致密的连续膜，孔隙结构断裂或消失，导致无法保证形成连续和畅通的水气热传输通道的问题。3.微孔层非常容易脱落的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层，包含多孔支撑层和微孔层，所述多孔支撑层经过憎水处理；所述微孔层由下述方法制备得到：

S1.将亲水改性的导电树脂粉、亲水改性的导电介质粉和疏水剂粉，充分混合均匀得到复合微孔层干粉料；

S2.将复合微孔层干粉料均匀涂覆在多孔支撑层靠近催化层一侧的表面；