[发明专利]燃料电池用气体扩散层及其制备方法

说明书

本发明提供一种燃料电池用定向有序气体扩散层及其制备方法，涉及燃料电池技术领域。本发明的气体扩散层包括层叠设置的支撑层和微孔层；所述支撑层包括若干定向有序排列的第一碳纤维丝，以及若干交叉分布于所述第一碳纤维丝之间的第二碳纤维丝，所述第二碳纤维丝用于连接和支撑所述第一碳纤维丝；所述第一碳纤维丝和所述第二碳纤维丝的直径为1‑20μm，相邻两根第一碳纤维丝之间的距离为10‑30μm；所述微孔层包括若干直径为50‑500nm的第三碳纤维丝，若干所述第三碳纤维丝之间相互堆叠形成微孔，所述微孔的孔径为0.1‑1μm。本发明的气体扩散层采用静电纺丝法制备得到。本发明的气体扩散层可有效提高的排水性和透气性。

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用气体扩散层及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种新型的绿色环保的化学装置，可将燃料所具有的化学能直接转换成电能。燃料电池以燃料和氧气/空气作为原料，其中质子交换膜燃料电池以氢气作为燃料。由于具有较高的功率密度和较低的运行温度，质子交换膜燃料电池近年来受到了广泛的研究和关注。膜电极是质子交换膜电池的核心部件，其一般由气体扩散层，催化层和质子交换膜热压制备得到。

气体扩散层一般由支撑层和微孔层组成，其作用包括支撑催化层，传导电流以及热量和气体以及排水。微孔层的作用主要包括降低催化层和支撑层的接触内阻，其致密的结构可以有效的阻止催化层渗透到支撑层。微孔层还可以帮助水和气体的传输，防止催化层被水淹。整体而言，气体扩散层需要具备良好的导电性、导热性、排水性和透气性。

常用的支撑层材料包括碳纸、碳布等导电多孔材料。传统微孔层一般由碳粉和聚四氟乙烯材料喷涂在支撑层表面。现有的商业气体扩散层在电堆中对气体和水的传输性能仍需进一步优化。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种燃料电池用气体扩散层，可有效提高气体扩散层的排水性和透气性，从而提高燃料电池的功率。

本发明提供的燃料电池用气体扩散层，包括层叠设置的支撑层和微孔层；所述支撑层包括若干定向有序排列的第一碳纤维丝，以及若干交叉分布于所述第一碳纤维丝之间的第二碳纤维丝，所述第二碳纤维丝用于连接和支撑所述第一碳纤维丝；所述第一碳纤维丝和所述第二碳纤维丝的直径为1-20μm，相邻两根第一碳纤维丝之间的距离为10-30μm；所述微孔层包括若干直径为50-500nm的第三碳纤维丝，若干所述第三碳纤维丝之间相互堆叠形成微孔，所述微孔的孔径为0.1-1μm。

上述燃料电池用气体扩散层，可以有效提高扩散层的渗透率、提高排气性和排水性。使用时，支撑层垂直于流道放置，可有效降低肋下液态水的聚集，缓解燃料电池水淹；微孔层采用致密的静电纺丝碳纤维，可以降低催化层和支撑层之间的接触电阻，相比于传统的碳粉和憎水颗粒混合结构具有更好的传输性能。

在其中一个实施例中，所述第一碳纤维丝占支撑层的体积比为50-95％。

在其中一个实施例中，所述支撑层的厚度为100-300μm。

在其中一个实施例中，所述微孔层的厚度为10-50μm。

在其中一个实施例中，所述支撑层的接触角为100-170°。支撑层的接触角为水在支撑层上的接触角。

在其中一个实施例中，所述微孔层的接触角为100-170°。微孔层的接触角为水在微孔层上的接触角。

本发明还提供一种上述燃料电池用气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：

S1、将高分子聚合物配制成质量浓度为10-15wt％的纺丝液，加入憎水剂，混匀后进行静电纺丝，得到支撑层；

S2、将高分子聚合物配制成质量浓度为5-10wt％的纺丝液，在支撑层的一侧面进行静电纺丝，得到支撑层与微孔层一体化的复合纤维丝膜；或