[发明专利]一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方 法。上述方法制备的气体扩散层可应用于氢氧质子交换膜燃料电池、直接 醇类燃料电池及具有气体扩散电极结构的电池、电解池和传感器中。

背景技术

质子交换膜燃料电池由于具有理论能量密度高、环境友好等特点，近 年来受到各国研究机构的密切关注。其核心部件膜电极(MEA)通常由气 体扩散层、催化层和质子交换膜热压组成。气体扩散层具有支撑催化层， 收集电流，传输反应气体和排出产物等多项功能，是影响电池性能的核心 部件。

目前国内外用于燃料电池的气体扩散层主要以碳纸或碳布为原料，且 使用时需要憎水处理及制备微孔层进行整平，普遍存在孔隙结构不合理， 比表面积较小且柔韧性差的缺点，严重影响电池的性能。此外，目前碳纸 市场几乎全部被日本Toray公司、德国SGL公司和加拿大Ballard公司占领。 进口价格昂贵，每平方米碳纸进口价大约为300美元，如我国自行生产碳 纸，价格至少降为其1/5，经济效益非常可观。

中国专利01132156.3，提供了一种碳纤维纸材料的制备方法，利用1％ 的分散剂和碳纤维丝之间的重合缠绕来提高碳纸强度，但是使用时存在掉 丝现象，且内阻也较大。专利200710036451.0，采用丙烯腈基碳纤维和其 它碳素材料作为原料，聚苯胺和常规聚乙烯醇、酚醛树脂混合作为粘结剂， 利用湿式造纸技术进行抄纸，然后1000℃以上高温碳化，制得复合碳纤维 纸。专利01131452.4采用碳纤维素浆、二次活化处理碳纤维、碳粉和表面 活性剂制备了两面亲疏水性不同，具有定向排水输气功能的碳纸。但是碳 纤维需要预先进行活化处理，该活化过程容易使碳纤维丝表面受到破坏， 增加其电阻率。专利02116609.9和200410012491.8，也提供了一种碳纸制 备方法，采用碳纤维丝、分散剂和粘结剂混合打浆，湿法抄纸，然后在1500 ℃下热处理。

国际专利US2005100498以有机高分子化合物为粘结剂制备碳纤维纸， 选择平均直径小于5μm，平均长度为3～10mm的碳纤维，并介绍了用此碳 纤维纸做多孔碳电极材料的制作方法。专利JP2003323897介绍了一种具有 高电导性和柔韧性的电极材料和碳纸材料，碳纸包括碳纤维和酸基团取代 水溶性苯胺导体聚合物，聚合物还带有硫基或羧基基团。CN1417879提供 了一种燃料电池用碳纤维纸材料及其制备方法，该发明的碳纤维纸材料， 以短高碳纤维为造纸浆液原料，这些不同长短的短纤维相互重叠缠合，形 成优良的导电体系，又具有分布均匀的孔隙，保证了气体的均匀扩散，克 服了传统电极气体扩散层的碳纸电阻率、孔隙率以及均匀度等方面的缺点。

综合来看，自制碳纸普遍采用湿式抄纸技术，设备占地庞大，且存在需 要高温碳化的问题，不仅增加了制备复杂性，对设备要求也较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种价廉易得的气体扩散层及其制备方法。该 气体扩散层具有良好的导电性和传质性能，一次成型即可使用，同时避免 了使用商品碳纸时复杂的处理过程。该法制备的气体扩散层具有原料价廉 易得，工艺流程简单，厚度/形状可控等优点，适合大批量生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，所述气体扩散层由碳纳米 管、碳纤维和粘结剂组成，碳纳米管重量为碳纤维重量的0.5-10倍，粘结 剂的重量百分含量为气体扩散层总重量的5～60wt.％，其可直接用作质子 交换膜燃料电池气体扩散层。

其按如下过程操作制备：

a)称取碳纤维和碳纳米管，碳纳米管重量为碳纤维重量的0.5-10倍， 在溶剂中分散均匀；

所述碳纤维为聚丙烯腈碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维、石墨纤 维、碳纳米纤维中的一种或几种，碳纤维直径为1-10μm，长度为1-30mm， 碳纳米纤维直径为5-50nm，长度为5-30μm；

所述碳纳米管直径为5-50nm，长度为5-30μm；

所述溶剂为水，乙醇，异丙醇或乙二醇；溶剂用量为碳纳米管和碳纤维 总重量的1000～3000倍；

b)向上述混合物中加入粘结剂，粘结剂的重量百分含量为气体扩散层 总重量的5～60wt.％，混合均匀，形成浆液；