[发明专利]一种气体扩散层及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种气体扩散层及其制备方法和应用，属于燃料电池领域。本发明提供的具有离子吸附过渡层的气体扩散层，所述离子吸附过渡层位于基底层与微孔层之间，用于及时吸附燃料电池系统内产生的流向膜电极的铁、铜、铬等金属离子，防止金属离子随水汽转移到膜电极的催化层中，导致膜电极寿命下降。本发明解决了金属离子对膜电极性能和寿命的负面影响，利用离子吸附性金属有机框架材料的超高比表面积和超高吸附容量对金属离子产生产期稳定的吸附作用，降低金属离子对膜电极的污染，提高膜电极使用寿命。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种气体扩散层及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。为增加电料电池电堆的体积功率比，体积更小的金属双极板的使用逐渐增多。这就导致了需要更多地考虑电堆系统以及金属双极板中金属离子的析出对于膜电极的挑战。金属阳离子入侵到膜电极中将对催化剂产生危害，降低催化剂性能并缩减燃料电池寿命。通过不断提高金属双极板耐蚀性能够有效改善离子析出问题。同时，采取有效的措施阻止离子扩散至催化剂层，同样也是必要的防护手段。

气体扩散层作为质子交换膜燃料电池的膜电极(MEA)的重要组件，起到扩散反应气体(氢气、空气和水汽)和支撑催化层作用，同时也能够将燃料电池反应中生成的水及时排出。对于溶于水的金属离子来说，气体扩散层是其入侵催化层的必经途径。传统的气体扩散层主要以碳化导电材料为主，除了利用分级孔促进水的排出外，并没有其他有效手段对金属离子进行防护，导致金属离子在水、气的运载下污染催化层，性能降低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气体扩散层及其制备方法和应用。本发明提供的气体扩散层将融入水汽中的金属离子吸附、固定在MOF材料的孔道之内，形成对膜电极催化层的保护屏障，保证催化性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种气体扩散层，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料。

优选地，所述离子吸附型金属有机框架材料包括JLU-MOF60、ZJU-101、TMU-23和TMU-24中的一种或多种。

优选地，所述离子吸附型金属有机框架材料为纳米级晶体粉末，所述纳米级晶体粉末的粒径为20～500nm。

优选地，所述离子吸附过渡层的厚度为20～25μm。

优选地，所述微孔层的厚度为25～30μm。

本发明还提供了上述技术方案所述的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：

在基底层表面依次喷涂离子吸附过渡层浆料和微孔层浆料，得到所述气体扩散层，所述离子吸附过渡层浆料中含有离子吸附型金属有机框架材料。

优选地，所述喷涂的温度独立地为80～90℃。

优选地，喷涂所述微孔层浆料后还包括热处理，所述热处理的过程为在230～250℃恒温30min，然后升温至330～340℃保温60min。

优选地，所述离子吸附过渡层浆料中还含有无水乙醇、导电炭黑和聚四氟乙烯乳液。

本发明还提供了上述技术方案所述的气体扩散层或上述技术方案所述制备方法制得的气体扩散层在燃料电池中的应用。

本发明提供了一种气体扩散层，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料。