[发明专利]一种基于纤维排布型微孔层的气体扩散层及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种基于纤维排布型微孔层的气体扩散层及其制备方法与应用，属于燃料电池领域。所述气体扩散层包括纤维排布型微孔层和支撑层，所述纤维排布型微孔层包括导电碳粉、全氟磺酸树脂和高聚物。所述气体扩散层制备方法简单，其三维孔道结构和高的孔隙率极大地改善了气体扩散层的传质能力，与传统商用气体扩散层相比，电池性能明显提升。

技术领域

本发明涉及一种基于纤维排布型微孔层的气体扩散层及其制备方法与应用，属于燃料电池技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将气体燃料的化学能转换为电能的能量转化设备，因其具备能量效率高、功率密度高、环境友好、室温快速启动等优点，在移动电源、交通运输和固定电站等领域具有广阔的应用前景。气体扩散层(GDL)作为质子交换膜燃料电池膜电极的核心部件，在电池内起到支撑催化层、排水、导气、散热以及传导催化层和双极板之间电子的作用。气体扩散层通常是由支撑层和微孔层构成，其中微孔层是由碳粉和聚四氟乙烯(PTFE)构成，而支撑层则是采用憎水处理后的炭纸或炭布。

根据检索结果显示，中国专利CN98109696.4提出在支撑层靠近催化层的一层涂覆一层微孔层可以改善电池的水管理能力，从而提高电池性能。中国专利200610047931.2介绍了一种制备微孔层的方法，他们将碳粉均匀地分散在乙醇或异丙醇中，然后加入一定质量的PTFE乳液形成微孔层浆料，最后再将微孔层浆料涂覆在支撑层的表面，后续经过高温处理得到气体扩散层。

目前商业化的微孔层大多采用喷涂、刮刀涂覆、丝网印刷等湿法制备得到的，这些方法制备得到的微孔层在微观上呈现颗粒堆积状态，会影响气体扩散层的排水能力和气体传质能力。当这种商业化微孔层组装的电池在高电流密度或高增湿条件下运行时，传质容易恶化，导致传质阻力增加；同时制备过程复杂，后续的高温热处理过程增加了微孔层的制备成本。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种基于纤维排布型微孔层的气体扩散层及其制备方法与应用，制备方法简单，同时三维孔道结构和高的孔隙率极大地改善了气体扩散层的气体传质能力，提升了电池性能。所述的纤维排布型微孔层既可以用于质子交换膜燃料电池，又可以用于燃料电池反应器电催化合成过氧化氢。

本发明提供了一种基于纤维排布型微孔层的气体扩散层，所述气体扩散层包括支撑层和纤维排布型微孔层，所述微孔层包括导电碳粉、全氟磺酸树脂和高聚物，所述微孔层在微观上呈现纤维排布状态。

进一步地，上述技术方案中，所述导电碳粉包括Vulcan XC-72、乙炔黑、BlackPearls 2000、KB EC600JD、碳纳米管中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，上述技术方案中，所述全氟磺酸树脂包括Nafion、D72、D79中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，上述技术方案中，所述高聚物包括聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，上述技术方案中，所述支撑层包括炭纸或炭布。

进一步地，上述技术方案中，所述导电碳粉和所述全氟磺酸树脂的质量比为2:1-5:1，所述全氟磺酸树脂和所述高聚物的质量比为1:1-4:1。

本发明还提供了一种基于纤维排布型微孔层的气体扩散层的制备方法，利用静电纺丝法，将微孔层浆料对支撑层进行静电纺丝，即得。

进一步地，上述技术方案中，包括如下步骤：

(1)将碳粉加到分散剂和溶剂中，超声分散一段时间，形成均匀的分散液；

(2)将质量浓度为5％-20％的全氟磺酸树脂溶液加入到步骤(1)所得的分散液中，超声分散一段时间后，得到微孔层浆料前体溶液；