[发明专利]一种有机-无机复合燃料电池气体扩散层及制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种有机‑无机复合燃料电池气体扩散层及制备方法。将聚苯硫醚树脂、聚全氟乙丙烯与石墨、炭黑充分混合，石墨与炭黑在有机相内部均匀分散形成导电导热通道，经聚四氟乙烯的表面疏水处理后，浆体与导电炭黑机械搅拌使导电炭黑附着在有机相表层，通过湿法拉伸工艺将有机相制备为多孔膜，即燃料电池气体扩散层。本发明制备的有机‑无机复合气体扩散层，碳基颗粒在液相中的分散性均匀，制备的膜电极的物理化学性能优异，加工性能好，同时制备方法简单，设备和成本要求更低，有利于工业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种有机-无机复合燃料电池气体扩散层及制备方法。

背景技术

燃料电池作为新兴绿色能源，在未来具有广阔的应用空间和发展前景。质子交换膜燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，近年来成为各国研究开发的热点。其核心部件膜电极三合一(MEA)通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜通过热压工艺制备而成。气体扩散层由导电的多孔材料组成，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多重作用，实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配，是影响电极性能的关键部件之一。

气体扩散层通常由基底层和微孔层组成。基底层通常使用多孔的碳纸、碳布，其厚度约为100~400μm，它主要起支撑微孔层和催化层的作用。微孔层通常是为了改善基底层的孔隙结构而在其表面制作的一层碳粉层，厚度约为10~100μm，其主要作用是降低催化层和基底层之间的接触电阻，使气体和水发生再分配，防止电极催化层“水淹”，同时防止催化层在制备过程中渗漏到基底层。

气体扩散层材料需要具有以下特性：1、多孔透气，促进气体分子与催化剂层的活性位点充分接触；2、电子电导率高，使气体被分解后产生的电子迅速通过极板向外电路迁移；3、热导率高，防止内部体系温度过高引起质子交换膜老化；4、高疏水性，使反应产物水可以迅速排出，控制反应气源的浓度；5、大电流下的耐受性。气体扩散层由高疏水性的基底材料与微孔层组成，其基底材料通常为疏水改性的碳纤维复合成的碳纸，微孔层为负载金属催化剂的炭黑颗粒。由于炭黑颗粒与碳纸的复合手段为固相粘接热压，由于固相材料内部的扩散性相对较差，炭黑颗粒难以均匀在碳纸上分散，从而影响膜电极的电化学性能。

中国发明专利申请号201310300060.0公开了一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括基底与微孔层，基底为多孔金属网，多孔金属网表面设有电镀层，多孔金属网孔径为0.076~0.4mm，多孔金属网厚度为0.01~0.4mm；微孔层由炭黑浆料涂覆于碳纤维织物表面，基底与微孔层重叠后通过压合为一体。其制备方法，烧结的微孔层与一层或多层处理后的多孔金属丝网叠合后，进行压制，制备出以金属丝网为基底的气体扩散层。具有工艺简单，操作方便的优点。

中国发明专利申请号200780004431.3公开了制备用于燃料电池的气体扩散层的通常方法的问题是多微孔层浸入到基体中从而降低了基体的多孔性，并在使用该方法制备的气体扩散层表面形成裂缝。该发明提供了基于底漆涂布方法的原理可再现地制备具有均匀厚度且无裂缝的气体扩散层的方法，其中第一多微孔层几乎不浸入基体中并均匀地覆盖基体表面，以及在第一多微孔层上还涂有至少一层多微孔层。

根据上述，现有方案中用于燃料电池的碳基材料气体扩散层，目前的技术手段仍然难以从微观层面对炭黑颗粒所形成的微孔层结构进行有效调控，同时其制备成本也相对高昂，因此需要开发一种成本低廉，同时能够有效分散炭黑颗粒，从而提高膜电极性能的新材料或新的复合方式，本发明提出了一种有机-无机复合燃料电池气体扩散层及制备方法，可有效解决上述技术问题。

发明内容

目前应用较广的燃料电池气体扩散层中，炭黑颗粒难以均匀分散，影响了气体扩散层的物理性能和电化学性能，并且制备成本高昂，限制了发展应用。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种有机-无机复合燃料电池气体扩散层的制备方法，制备的具体过程为：