[发明专利]燃料电池气体扩散层及燃料电池电极和膜电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种燃料电池气体扩散层的制备方法及包括由该方法制得的气体扩散层的电极和膜电极的制备方法。

背景技术

燃料电池是一种通过燃料与氧气或空气等氧化性气体发生电化学反应而产生电能的装置，这种电池具有能量转换效率高、结构简单、噪音低、燃料来源丰富、无环境污染等优点，因而具有广泛的应用前景，是未来的理想电源之一。燃料电池可用于小型便携式电源、家庭小型电站、电动汽车、潜艇等的动力电源。

在燃料电池中，作为燃料电池核心部件的膜电极包括质子交换膜和位于质子交换膜两侧的电极。电极是一种气体扩散电极，包括气体扩散层和负载在气体扩散层上的催化层，气体扩散层包括支撑材料和负载在支撑材料上的扩散层，支撑材料一般为导电的炭纤维、碳布、碳纸和各种多孔金属网，扩散层一般含有石墨导电剂和选择性含有的疏水剂，疏水剂一般可以是聚四氟乙烯、六氟丙烯、聚偏氟乙烯。催化层的催化剂一般为铂粉末、含铂的合金粉末、负载在载体上的铂或负载在载体上的含铂的合金粉末。所述含铂的合金含有铂和选自钌、锡、铱、锇、铼中的一种或几种。所述载体为具有较高的比表面且导电的载体，如活性炭。质子交换膜是一种透水不透气的半透膜，它具有质子传导作用，还可以防止氧化剂和燃料发生混合爆炸。

气体扩散层的气体扩散性(即扩散层的孔隙率)对燃料电池的电化学性能有重要的影响，因此燃料电池对气体扩散层的气体扩散性有较高的要求。同时，为了满足燃料电池商品化的要求，膜电极的制作工艺要简单，而且由此膜电极组装的电池性能良好。

为了尽量满足上述两个要求，近几年来对气体扩散层的制备工艺进行了广泛深入的研究。目前比较成熟的气体扩散层的制备方法包括先用聚四氟乙烯乳液反复浸泡碳纸并吹干，然后将炭黑、聚四氟乙烯和溶剂形成的浆料涂覆于碳纸上，经烘烤后制得气体扩散层。将气体扩散层与催化层结合即制得燃料电池电极，将该燃料电池电极与质子交换膜热压形成膜电极。

上述气体扩散层的制备方法比较容易操作，但是由上述方法制得的扩散层不能保证表面平整，尤其是烘干后表面凹凸不平，使得气体扩散层与催化层结合后导致催化剂的利用率下降，同时也使得催化层和质子交换膜界面之间接触不良，影响膜电极性能；此外，采用涂覆的方法容易引起炭材料堵塞碳纸上的气孔的问题，导致气体扩散层的气体扩散性能不良。

为了提高燃料电池工作时的气体扩散效率，需要采取各种方法提高燃料电池气体扩散层的孔隙率，以利于气体扩散。此外，气体扩散层的孔不能太大，必须是微小的细孔，才能保证催化层中的催化剂不会通过碳纸进入碳纸的另一侧，影响催化效果。

CN1658422A公开了一种燃料电池气体扩散层的制备方法，该方法包括：(1)多孔基材的预处理：将多孔的基材放置在10-25重量％浓度的疏水剂中5-10分钟，然后取出在空气中晾干10-20分钟，再放置在340-360℃炉子中加热10-30分钟；(2)微孔层料浆的制备：a)称取碳黑与沸点为80-120℃的溶剂以1∶10-50的重量比混合搅拌30-120分钟；b)然后以重量比碳黑∶疏水剂1∶0.01-1加入疏水剂，搅拌5-60分钟；(3)混合液的制备：将微孔层料浆均匀分成2-10份，以重量比碳黑∶成孔剂＝1∶0.5-8加入成孔剂，成孔剂的加入量依次梯度递减，形成2-10种混合溶液，每种混合液继续搅拌60-120分钟，取出超声10-30分钟后备用；然后采用涂布法、喷漆法、滚压法、喷漆法、印刷法或涂布法通过2-10次复合将2-10种混合液复合在预处理后的多孔基材上，复合顺序按混合液中成孔剂的含量依次递减的顺序进行复合，第一次复合成孔剂含量最高的混合液，最后放入340-360℃的炉中烧结10-30分钟得到气体扩散层。将该气体扩散层和膜电极三合一(EMAS)组合在一起，形成膜电极(MEA)。所述膜电极三合一为两个表面均具有催化层的质子交换膜。

这种制备燃料电池气体扩散层的方法过程复杂、涂覆的步骤太多、扩散层的孔隙率得不到很好的保证，不利于膜电极的批量化和产业化。而且，组装膜电极所需要的膜电极三合一(EMAS)在制备时质子交换膜容易收缩，从而使得膜起皱，对制备的膜电极性能非常不利，使得燃料电池的电流密度低。

发明内容

本发明的一个目的是为了克服现有技术制得的燃料电池气体扩散层气体扩散性能差导致燃料电池的电流密度低的缺点，提供一种气体扩散性能好能够使得燃料电池电流密度高的燃料电池气体扩散层的制备方法。

本发明的另一个目的提供一种包括上述气体扩散层的燃料电池电极的制备方法。