[发明专利]一种金属基燃料电池气体扩散层材料及制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种金属基燃料电池气体扩散层材料及制备方法。使用微米级有机纤维对金属离子进行吸附，使纤维表面沉积一层金属膜,之后通过氢环境高温烧结，形成空心金属管，将空心金属管置于多碳脂肪酸溶液中进行浸渍处理，在管道内部和表面形成一层纳米疏水薄膜，通过干燥等后续处理获得金属基燃料电池气体扩散层材料。本发明制得的气体扩散层材料具有强疏水性，耐腐蚀性能好，使用寿命长，并且具有金属本身的强度、高导电导热性能，电化学性能优异，同时制备工序简单，成本低廉，适宜于大规模工业化生产。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种金属基燃料电池气体扩散层材料及制备方法。

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。金属材料具有比碳纤维材料更高的电子电导率和热导率，作为燃料电池气体扩散层具有其独特的优势，而且其成本比碳纤维材料更低，但其在实际应用中的易腐蚀而寿命较短的问题限制了进一步的发展应用。

中国发明专利申请号201710156824.1公开了一种燃料电池气体扩散层结构，其厚度为3.0~5.0mm，包括一基底层和一微孔层，基底层的一侧具有气体流道，另一侧与微孔层相连，基底层的材质为金属纤维毡，微孔层上具有铜-石墨烯复相膜。该发明的燃料电池气体扩散层结构与现有技术相比，具有机械强度高，排水性、透气性，接触电阻低等优点。

中国发明专利申请号201510475625.8公开了了一种耐腐蚀燃料电池气体扩散层的制备方法，气体扩散层由微孔层和支撑层组成，制备方法如下：将金属氧化物纳米粉体加入到含有分散剂的水溶液中，并搅拌、超声分散至形成均匀的悬浮液；再加入憎水剂乳液，搅拌至形成微孔层浆料；将微孔层浆料均匀涂覆到支撑层的一侧上，支撑层另一侧喷涂低浓度的憎水剂乳液；烘干并置于充氮烘箱中烧结得到气体扩散层。采用本发明所述制备方法得到的气体扩散层，有效保证了微孔层浆料中导电材料和疏水材料分散均匀，使其具备适宜的亲疏水性能，提高了气体扩散层的耐腐蚀性和稳定性，降低了成本。

根据上述，现有方案中燃料电池的碳纤维气体扩散层制备成本高昂，而其高湿度的工作环境使得金属气体扩散层材料极易受到腐蚀，从而使其使用寿命严重下降，现有的将金属材料进行包覆改性的方法过程复杂，效果不理想，本发明提出了一种金属基燃料电池气体扩散层材料及制备方法，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碳纤维气体扩散层价格昂贵，导电导热性能不良，而金属基气体扩散层存在极易受到腐蚀，严重影响使用寿命的缺点，而现有的包覆改性的技术复杂，改性效果不理想，限制了金属基气体扩散层的发展应用。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种金属基燃料电池气体扩散层材料的制备方法，制备的具体过程为：

（1）先将金属源溶解于去离子水中，然后将有机纤维进行分散，再加入助剂，使有机纤维吸附金属离子，制得金属-有机复合纤维的配合物溶液；