[发明专利]一种用于氢气燃料电池的多孔金属-陶瓷复合材料气体扩散层和其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氢气燃料电池的气体扩散层，为一种多孔金属-陶瓷复合材料薄板材。特别是提供了制造此高孔隙金属-陶瓷复合材料的粉末冶金成形及热处理加工制备工艺。

背景技术

燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置，是一项高效利用能源而又不污染环境的新技术。其中质子交换膜燃料电池由于其在交通运输和备用电源领域的巨大潜在用途，成为各个国家研究的热点。

 质子交换膜燃料电池的核心部件是膜电极组合（membrane electrode assembly， MEA）。 MEA通常由质子交换膜，催化剂，以及气体交换层组成。当分别向阳极和阴极供给氢气与氧气时，进入多孔阳极的氢原子在催化剂作用下被离化为氢离子和电子。氢离子经由电解质转移到阴极，电子经外电路负载流向阴极；氢离子与阴极的氧原子及电子结合成水分子。

气体扩散层为多孔导电材料，为质子交换膜燃料电池的运行和提高综合性能提供了条件，并为质子交换膜和微孔层提供机械支撑；提供了电子传导的通道，导出在燃料电池运行中产生的热量，使反应气体能够均匀扩散分布在电极上，同时能够将反应产物－水从反应界面导出。

气体扩散层的一个重要的功能是提供水管理。为了让质子交换膜达到最好的性能，基底层中的水管理是一个重要的课题。一方面要将化学反应产生的水移除，否则产生的水将阻塞反应气体的扩散，产生高的传质阻抗。另一方面，质子交换膜也需要一定水的保有量从而增加质子传导率。所以，调整气体扩散层的性质，提高水管理与传质效应是提高质子交换膜燃料电池运行性能的重要途径。

 质子交换膜燃料电池的气体扩散层材料通常要满足以下要求：有好的透气性，适当的孔径大小和孔径分布，均匀的多孔结构；有适当的亲水和憎水性能，可以排除/保持适量的水分；具有较低的电阻率，从而有好的电子传输能力；有良好的机械性能；具有好的导热能力；具有好的化学稳定性和热稳定性，在燃料电池的工作环境中不退化变质；同时这种材料还应具有低的制造成本，方便规模生产。 

 目前使用的气体扩散层基底材料主要常有碳纤维纸(碳纸) 、碳纤维编织布(碳布) 、非织造碳布及炭黑纸。各种材料具有不同的孔率，孔径，导电率和亲水、憎水特性，这些性能直接影响了材料的透气率，水管理和导电能能力。碳材料在燃料电池的电化学反应中与MEA中的界面接触电阻高，从而影响电池的性能。

目前在氢气燃料电池优化过程中，薄层金属双极板是目前减小电池体积，提高功率密度，降低生产成本的重要发展方向，由于碳材料和金属间（特别是在电池运行过程中表面被轻微氧化的金属）过高接触电阻，使得燃料电池在运行过程中内阻升高，降低了燃料电池的性能。另外为了减低电池中各层间的接触电阻，在电池使用过程中要施加巨大的压力，碳基的气体扩散层中的孔道在压力作用下变形，导致材料的空隙度降低，进而减低了气体传质并影响了气体分布，从而影响了燃料电池的运行性能。

发明内容

为了克服传统的碳基气体扩散基层材料的不足，本发明提供了一种以钛及其合金为基础原材料，通过粉末冶金加工工艺和热处理表层陶瓷化工艺制作的金属-陶瓷复合材料多孔薄带材作为氢气燃料电池的新型气体扩散基层材料。这种复合材料的气体扩散层具有良好的机械强度，为MEA提供稳定的结构支撑。复合材料的气体扩散层使得这种催化剂电极和双极板之间的实现低电阻接触，从而降低电池内电阻，提高了电流传导效率。陶瓷材料可以提高金属基才的抗腐蚀能力，使气体扩散层在燃料电池的酸性工作环境中保持电阻稳定。此工艺可以通过对粉末冶金加工过程中想关参数的调整，能够对多孔材料的孔率，微孔大小，孔径分布实现控制，从而实现对材料的透气率和气体传输分布的调整，同时通过微孔孔径调节也使此多孔材料在水管理过程中的亲水/憎水性能优化。

 为了能过实现以上技术目的，此燃料电池气体扩散层基底材料的技术方案为：

（1）制作过程的原始材料分为金属粉末和成孔剂两部分。粉末冶金原始材料为钛粉或由钛和其它一种或一种以上不同金属粉末的混合而成的混合物。混合物中的各中金属粉末的组分由合金形成条件而定，重量百分比可以在1％～50％之间。金属粉末的颗粒粒径大小在5微米～100微米之间。此多孔材料的成孔剂为碳酸铵（(NH4)2CO3）,碳酸氢铵（NH4HCO3）具有低分解温度的无机盐。 

 （2）成孔剂粉末的预处理：将成孔剂粉末（例如碳酸氢铵粉末）微粉通过粉碎机进行粉碎，粉碎后的粉末通过60目-400目的筛子进行过筛，收集过筛后的粉末。未粉碎的粉末可以重复以上过程加工收集。