一种用于燃料电池的气体扩散层及其制备方法

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，具体地说是一种低成本且高性能的气体扩散层及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将化学能直接转化为电能的装置，其具备功率密度高、转换效率高、零排放等优点，在汽车动力、移动电源及小型电站等方面应用前景广泛。但是，成本问题仍是PEMFC商业化的瓶颈。其中，气体扩散层(GDL)作为关键材料之一，是由支撑层(GDB)和微孔层(MPL)组成的。支撑层(GDB)一般是由碳布或者碳纸制成，而碳纸的制备需要经过聚丙烯腈聚合和纤维形成、稳定、切断、抄纸、注入溶剂、模压固化、碳化步骤；碳布的制备需要经过聚丙烯腈聚合和纤维形成、稳定、编织、注入溶剂、模压固化、碳化步骤。碳纸或碳布的制备工艺复杂，导致其价格较高，并且相比于GDB，MPL对PEMFC性能影响占主导地位。

现有技术中，专利“质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法”(公开号：CN101140990A)提出，先将炭黑浆料涂覆于碳纤维织物表面，烧结后，将微孔层压制在金属网上。其不足之处为：1、其制备方法繁琐；2、使用较为昂贵的碳纤维织物，提高了成本。专利“一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法”(公开号：CN110085878A)提出,将竹片进行脱木质素处理；将所得的竹原纤维编织成网；竹原纤维网进行叠加后置于热压机中进行碳化处理；将所得碳竹原纤维片进行憎水处理，最后经过烧制形成气体扩散层。存在不足之处为：竹片脱木质素处理后还需碳化高温处理，制备方法繁琐。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明在现有传统GDL的基础上，提供了一种的气体扩散层，用于燃料电池，所述气体扩散层价格低廉，且具有较高性能。

本发明技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，所述气体扩散层由微孔层浆料填充于多孔骨架的孔隙，并附着于多孔骨架的表面，再经烧结制得；

所述多孔骨架为金属网、纳米纤维网中的一种。

基于上述技术方案，优选地，

所述微孔层浆料附着于所述多孔骨架一侧的表面或两侧的表面。

基于上述技术方案，优选地，

所述的制备方法包括以下步骤：

a)配制含有碳粉、造孔剂、分散剂和疏水剂的微孔层浆料；对多孔骨架进行清洁处理后进行表面处理；

b)将微孔层浆料填充于多孔骨架的孔隙，并使微孔层浆料附着于多孔骨架的表面，得到微孔层浆料和多孔骨架的组合体；

c)将步骤b)制备得到的组合体进行烧结处理，得到气体扩散层。

基于上述技术方案，优选地，

所述步骤a)中将碳粉、造孔剂、分散剂和疏水剂混合后，搅拌时间1～24h，然后超声处理0.5～1h得到微孔层浆料；所述多孔骨架的表面处理为通过物理气相沉积法或电化学方法，在多孔骨架表面负载上碳、钛氮化钛、氮化铬、金、银中的一种或多种，用于降低多孔骨架与微孔层浆料之间的接触电阻；

所述步骤b)中通过刷涂、喷涂或刮涂的方法将微孔层浆料填充于多孔骨架的孔隙并使微孔层浆料附着于多孔骨架的表面；

所述步骤c)中烧结处理分为两段，于惰性气氛中，将步骤b)得到的组合体先250℃烧结处理30min，然后300～400℃烧结处理30～60min。

基于上述技术方案，优选地，

所述气体扩散层的孔径为10nm～200nm；即填充有微孔层胶料并经过焙烧后的多孔骨架的孔径为10nm～200nm，多孔骨架两侧的微孔层胶料经过焙烧后的孔径为10nm～200nm。

所述气体扩散层与多孔骨架的厚度之比为10：1～1：1；

所述多孔骨架的厚度为10～300μm；

所述多孔骨架的目数为50目～800目；

所述金属网为冲孔网、编织网、拉伸网、线切割网、铸造网中的一种或多种；

所述金属网的材质为钛、镍、不锈钢、金、银中的一种或多种。

基于上述技术方案，优选地，

所述碳粉于多孔骨架上的负载量为0.2～10mg cm

所述造孔剂占碳粉的质量分数为0～200％；

所述碳粉与疏水剂干重之比为9:1～1:2；

分散剂占微孔层浆料的质量分数为70％～90％。

基于上述技术方案，优选地，

所述碳粉为XC-72R、乙炔黑、导电炭黑、石墨粉、石墨烯、碳纳米管、科琴黑、珍珠黑、膨胀石墨中的一种或多种；

所述分散剂为乙醇、二甲基甲酰胺、聚乙二醇异辛基苯基醚、聚氧乙烯失水山梨醇醚硬脂酸酯、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或多种；

所述疏水剂为聚四氟乙烯溶液、偏聚四氟乙烯溶液、聚偏二氟乙烯溶液、聚丙烯溶液中的一种或多种；

第二方面，本发明提供了一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，所述气体扩散层由上述方法制得。

第三方面，本发明提供了一种用于质子交换膜燃料电池的膜电极，所述膜电极包括上述方法制备的气体扩散层。

第四方面，本发明提供了一种所述的膜电极的制备方法，通过热压法制备膜电极，所述膜电极的热压条件为：温度为120～160℃，热压机压力为0.1～0.5MPa，处理时间为1～10min。

有益效果

1、本申请所提供的气体扩散层，相比于传统GDL，厚度大幅度减薄，缩短了空气、H

2、本申请所提供的气体扩散层，采用多孔骨架(如金属网)，所述多孔骨架不但具有较强的机械性能，而且提供导电网络，减小了电阻。

3、本申请所提供的气体扩散层，制备步骤简单，且多孔骨架(如金属网)价格远远低于碳纸，成本低廉。

4、本申请所提供的气体扩散层，在降低成本、减少传质距离、减少膜电极(MEA)体积等方面具有较重要的意义，电池测试证实了所述气体扩散层具有高性能特性，具备工程化放大的潜力，有助于推进燃料电池技术的商业化。

附图说明

图1为实施例1、实施例2与对比例1、2的50％增湿条件下单电池性能对比；

图2为实施例1、实施例2与对比例1、2的80％增湿条件下单电池性能对比；

图3为实施例1、实施例2与对比例1、2的100％增湿条件下单电池性能对比；

图4、传统气体扩散层(对比例1、2)截面图；

图5、实施例1截面图；

图6、实施例2截面图。

具体实施方式

实施例1

采用金属网作多孔骨架，在金属网上镀上一层碳涂层，通过刮涂法制备以300μm厚、50目的多孔金属网为基底、XC-72碳粉担量为10mg cm

称取200mg的XC-72碳粉、NH

自制阳极GDL(通过涂布法将微孔层浆料制备至碳纸上)和CCM(Catalyst CoatedMembrane)(

单电池测试条件：80℃，0.15MPa(表压)，H

全电池测试和离线稳定性测试结果表明，该实施例1中电极与传统气体扩散层相比表现出良好的单电池性能(图1、2、3)。

实施例2

采用金属网作多孔骨架，在金属网上镀上一层碳涂层，通过刮涂法制备以30μm厚、50目的多孔金属网为基底、XC-72碳粉担量为0.2mg cm

称取4mg的XC-72碳粉、NH

自制阳极GDL(通过涂布法将微孔层浆料制备至碳纸上)和CCM(Catalyst CoatedMembrane)(

单电池测试条件：80℃，0.15MPa(表压)，H

全电池测试和离线稳定性测试结果表明，该实施例1中电极与传统气体扩散层相比表现出良好的单电池性能(图1、2、3)。

实施例3

采用金属网作多孔骨架，在金属网上镀上一层碳涂层，通过刮涂法制备以60μm厚、400目的多孔金属网为基底、XC-72碳粉担量为4mg cm

称取80mg的XC-72碳粉、NH

自制阳极GDL(通过涂布法将微孔层浆料制备至碳纸上)和CCM(Catalyst CoatedMembrane)(

单电池测试条件：80℃，0.15MPa(表压)，H

全电池测试和离线稳定性测试结果表明，该实施例1中电极与传统气体扩散层相比表现出良好的单电池性能(图1、2、3)。

对比例1

通过刮涂法制备担量为10mg cm-2、XC-72碳粉质量分数为34％，聚四氟乙烯(PTFE)质量分数为66％(干重)的传统气体扩散层：

将Toray碳纸反复浸渍PTFE直至PTFE担量为5％，称取200mg的XC-72碳粉、8g的PTFE(5％)、乙醇4g，细胞粉碎机超声分散30min得微孔层浆料。再将浆料刮涂至处理后的20cm2碳纸上，得到以传统气体扩散层。

自制阳极GDL和CCM(Catalyst Coated Membrane)(

单电池测试条件：80℃，0.15MPa(表压)，H

对比例2

通过刮涂法制备担量为3mg cm

将Toray碳纸反复浸渍PTFE直至PTFE担量为5％，称取4mg的XC-72碳粉、NH

自制阳极GDL和CCM(Catalyst Coated Membrane)(

单电池测试条件：80℃，0.15MPa(表压)，H

对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。