[发明专利]一种燃料电池抗氧化气体扩散层及其制备方法

说明书

本发明提出一种燃料电池抗氧化气体扩散层及其制备方法，所述抗氧化气体扩散层是将活性金属铜靶材在碳纸原纸表面铜纳米粒子膜，然后使用电镀向铜纳米颗粒表面生长氧化亚铜纳米线，接着使用紫外光对碳纸进行辐照处理而制得。本发明提供的气体扩散层的具有优异的抗氧化性能，通过蒸镀过程在碳纤维表面种晶，使电镀处理中形成的铜沿种晶颗粒外延生长，之后通过电解过程中产生的氧对铜进行氧化使其变为亚铜离子，并以纳米线形式缠绕在铜包覆的碳纤维表面，表面缠绕的氧化亚铜纳米线经紫外光照处理后，在可见光环境下可以有效抑制Cu‑O键的形成，从而保护内部的铜/碳纤维不被氧化。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池抗氧化气体扩散层及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成为电能的装置。与传统能源相比，燃料电池在反应过程中不涉及到燃烧，因而能量转换效率不受卡诺循环的限制，具有高效、洁净等显著特点。质子交换膜燃料电池（PEMFC）不但具有燃料电池的一般特点，还具有能量转换效率高、环境友好、比能量高（相对于电池）、操作温度低、启动快的特点，可广泛应用于汽车、电站、移动电源等领域。

气体扩散层是质子交换膜燃料电池中的重要组件，起到支撑催化剂层的作用，也是反应气体和生成物水的通道。在电池工作中起到导气、排水、导热、导电、支撑等多种功能，气体扩散层的质量会对燃料电池的性能造成较大的直接影响。

目前的气体扩散大多使用碳纤维作为原料，在高湿度和高氧含量的酸性环境下长期工作下，容易导致碳纤维的氧化，使聚四氟乙烯涂层脱落，导致疏水性能和导电性能的降低。现有技术通过在气体扩散层表面增加涂层以达到抗氧化的目的，但这些涂层同样存在氧化导致腐蚀和脱落的问题，而且其形成抗氧化涂层大多为绝缘层，会严重影响碳纤维的导电率。因此针对气体扩散层的抗氧化处理具有十分重要的实际意义。

中国发明专利申请号201510018402.9公开了一种外表沉积SiBCN涂层的碳纤维，包括碳纤维基体和在基体上沉积的SiBCN涂层，SiBCN涂层与碳纤维基体通过机械咬合及化学健合方式结合，SiBCN涂层是以硼吖嗪和液态聚碳硅烷为原料通过化学气相沉积工艺制备得到；该制备方法包括以下步骤：将碳纤维基体材料进行超声清洗，干燥后放入沉积炉炉膛内；置换沉积炉内的空气；在沉积炉炉膛达到设定的真空度和温度后，导入载气和稀释气，通过鼓泡方式将硼吖嗪和液态聚碳硅烷载入，经稀释气稀释后通入沉积炉内，在沉积炉内分解出的SiBCN逐步沉积于碳纤维表面，形成SiBCN涂层。中国发明专利申请号201310186036.9公开了一种碳纤维抗氧化涂层及其制备方法。所述的碳纤维抗氧化涂层为SiO₂掺杂的SiC涂层，SiO₂掺杂的SiC涂层覆在带热解碳涂层的碳纤维表面上。采用碳纤维直径为6-8μm，带400-700nm厚度的热解碳涂层的碳纤维预制体，用先驱体浸渍裂解法，以二甲苯为溶剂，正硅酸乙酯掺杂聚碳硅烷为先驱体，经过压力浸渍、固化处理及高温裂解步骤制备得到SiO₂掺杂的SiC涂层。

为了解决燃料电池气体扩散层易被氧化，从而导致气体扩散层乃至整个燃料电池性能下降的问题，有必要提出一种新型抗氧化气体扩散层，进而提高燃料电池气体扩散层的耐久性。

发明内容

针对目前燃料电池气体扩散层易被氧化的问题，本发明提出一种燃料电池抗氧化气体扩散层及其制备方法，从而有效避免了气体扩散层被氧化，促进燃料电池的发展应用。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种燃料电池抗氧化气体扩散层，所述抗氧化气体扩散层是将活性金属铜靶材在碳纸原纸表面铜纳米粒子膜，然后使用电镀向铜纳米颗粒表面生长氧化亚铜纳米线，接着使用紫外光对碳纸进行辐照处理而制得。

优选的，所述电镀过程中，阴极为蒸镀后的碳纸，阳极为Cu电极，电解液为超纯水。

本发明还提供了一种燃料电池抗氧化气体扩散层的制备方法，具体制备方法如下：