[发明专利]一种包含气体扩散层的燃料电池

说明书

本发明公开了一种包含气体扩散层的燃料电池，包括基底和导电微孔层，所述导电微孔层设置在所述基底的至少一侧面，所述基底为多孔碳纸，所述导电微孔层主要由非铂催化剂材料制成。本发明的气体扩散层是通过以下步骤制备得到的：制备非铂催化剂材料；将非铂催化剂材料与聚四氟乙烯和异丙醇均匀混合制得浆料；将上浆料置于喷涂设备中并均匀喷涂到多孔碳纸上，即得气体扩散层的步骤。本发明燃料电池的气体扩散层兼具吸附性能和催化性能，并且燃料电池的电极性能较现有的电池明显提高。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种包含气体扩散层的燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，利用氢气、天然气、甲醇等燃料与纯氧或空气作为原料分别在电池的阴极和阳极发生氧化还原反应，从而连续产生直流电。该类电池具有发电效率高、环境污染少等优点。由于其电能转换不经过燃烧这一过程，能量转化效率可以达到60％左右，同时燃料电池的功率范围为1W-100MW，可以广泛应用于交通运输、便携式设备、发电站和航空航天等领域。目前燃料电池技术已经比较成熟，正在逐步走向市场化，应用最广的主要为质子交换膜燃料电池(PEMFC)，因其零排放、无噪声、功率密度高、体积小等优点，是燃料电池在各个领域应用的首选。

质子交换膜燃料电池是通过氢气与氧气进行非燃烧的氧化还原反应，通过催化剂实现电子与离子的分离，进而产生电流，推动电机的运转。其主要组成部分包括电解质膜、气体扩散层、催化层以及双极板。其中气体扩散层在电极的主要作用是为气体提供传导通道，并可支持催化剂层，其主要由碳纤维纸基底和微孔扩散层组成。催化剂层主要是负载催化剂颗粒，目前仍然以铂金属为主。

关于气体扩散层，目前所公开的专利均着重于优化其结构和相关性能，例如CN107681164A公开了新型气体扩散层以提高传统扩散层所存在的强度低、脆性大、操作中易碎、加工成本高、工艺复杂等问题。专利CN103999276B则公开了新型的非织造气体扩散基片，以提高传统基片的导电能力并且可降低成本。

对于催化剂层，铂金的负载量过高，铂金催化剂易被CO和其它杂质引起中毒等，一直阻碍着燃料电池的进一步发展。如何减少电极上铂金的使用量，提高电极催化剂性能，降低催化剂成本是目前电极催化剂研究的主要目标。例如，专利CN102300640A利用去除载置在细孔内的不能进行发电反应的无用催化剂，以提高催化剂微粒的利用率。专利CN103769086B公开了一种催化剂的制备方法，用真空溅射法和微粉化工艺得到了长寿命、高活性的催化剂，减少了催化剂的载量。此外，用非铂催化剂代替铂催化剂也公开了众多专利和文献。如专利CN101362094A用铱和其它过渡金属作为活性组分，制备了新型催化剂，用于替代铂催化剂。专利KR101815248B1、KR101808299B1也制备了一些新型的非铂催化剂。

尽管现有技术对燃料电池用催化剂进行了一系列研究，但是其中或多或少存在不足的地方。因此，寻找一种新型的用于燃料电池的非铂催化剂材料仍然是当前亟待研究的方向。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的用于燃料电池的催化剂材料负载量过高，铂金催化剂易被CO和其它杂质引起中毒等，或者非铂类催化剂催化性能不够优异、制造成本高等问题，从而提出的一种包含气体扩散层的燃料电池，根据本发明提供的气体扩散层的制备方法，成本低，操作简易，并且得到的催化剂材料载量低，用于燃料电池中具有良好的催化性能。

本发明的目的及解决其技术问题采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种包含气体扩散层的燃料电池，所述的气体扩散层包括基底和导电微孔层，所述导电微孔层设置在所述基底的至少一侧面，所述基底为多孔碳纸，所述导电微孔层主要由非铂催化剂材料制成。

前述的燃料电池，其中所述非铂催化剂材料为铁氮掺杂多孔碳。

前述的燃料电池，其中所述铁氮掺杂多孔碳主要孔隙为微孔和中孔，微孔的孔径分布在2～4nm之间，中孔的孔径分布在11～15nm之间。