[发明专利]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

本发明属于质子交换膜燃料电池，具体涉及质子交换膜燃料电池的气体扩散层。

背景技术

气体扩散层是质子交换膜燃料电池的重要核心部件之一，在膜电极中起到水气传输、支撑催化层及收集电流的作用，因此，在质子交换膜燃料电池中起着关键性作用。气体扩散层组成包括基底与微孔层。目前，国内外燃料电池用气体扩散层的基底多采用碳纤维制备碳纸或碳布，将基底进行疏水、整平等预处理后，在其表面制备微孔层，制备方式主要由丝印、刮涂、喷涂等工艺。该方法制备的气体扩散层基底制备工艺繁琐，价格较高，进口价格每平方米约为300美金，且碳纸市场大部分被日本Toray 公司、德国SGL公司、加拿大Ballard公司占领，严重影响国内扩散层的发展。

现有技术中，专利公开号CN101140990A、名称为一种电极气体扩散层在质子交换膜燃料电池的应用，采用金属网担载碳粉和疏水有机化合物，作为电极气体扩散层。制备方法为将金属网的一侧或两侧表面用碳粉及疏水有机化合物整平，经过在惰性气体保护下290-380℃高温处理，得到电极气体扩散层。其中微孔层的制备方式为采用喷涂、浸渍涂布、刮涂或丝网印刷的方法直接制备于基底表面，并一起焙烧。存在不足之处：①该技术采用金属网担载碳粉的方法对金属表面进行处理，由于金属网表面比较光滑，碳粉粘附力不强，容易脱落，使用过程中在水及大气流的冲击下，使得碳粉更易剥落，剥落的碳粉则容易堵塞微孔层气孔，影响膜电极水气传输，进而影响膜电极性能。②该技术的金属基底需进行疏水处理，一方面疏水处理需高温烧结，且为防止金属基底在高温条件下氧化需通入惰性气体保护，工艺复杂，耗时较久，不利于生产；另一方面疏水处理会降低金属网的导电性。③该技术采用在金属网表面直接喷涂、浸渍涂布、刮涂或丝网印刷的方法制备微孔层，首先，该方法对金属网的孔径要求较高，孔径不可过大，否则浆料容易发生渗漏；其次，金属网需与微孔层一起进行二次烧结，在不通用气氛的条件下，可能会导致部分氧化；再次，直接在金属网上制备微孔层，操作麻烦，不利于生产。专利公开号CN1323455C、名称为一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制作方法，工艺步骤为：（1）选取有机薄膜作为粘结剂，在膜下垫一层金属或非金属丝网加热；（2）将聚丙烯晴基的碳纤维均匀的散落在步骤（1）的处于半熔融态的有机薄膜上热压，形成结构材料-扩散层；（3）将导电粉与所需的其他材料混合成导电粉浆料，用印刷的方法将导电粉浆料均匀地转移到步骤（2）目的物--- 扩散层一面或两面上烘干；（4）将步骤（3）目的物的一片或多片热压加压，制成导电与气体扩散层材料。其扩散层基底材料为碳纤维材料。存在不足之处：①该技术采用碳纤维材料作为基底，价格较高，且碳纤维材料主要为碳纸或碳布，使用过程中极易损坏，且对运输过程要求较高。专利公开号CN102082277 B、一种用于燃料电池的金属气体扩散层及其制备方法，主要内容为：通过真空高温烧结的方法制备不锈钢短纤维烧结毡，然后采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术在经过预处理的不锈钢短纤维烧结毡上一次制备得到铬层和石墨层，再采用聚四氟乙烯对镀膜不锈钢短纤维烧结毡整体进行憎水处理，最后采用超声震荡方法进行表面碳粉涂覆，得到用于燃料电池的金属气体扩散层。存在不足之处：该方法制备的金属基体操作复杂，在金属纤维上采用离子镀制备隔层和石墨层，价格较高。聚四氟乙烯对金属表面进行疏水处理，会影响金属的导电性。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供了质子交换膜燃料电池用气体扩散层，具有工艺简单，操作方便的优点。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括基底与微孔层，所述基底为多孔金属网，所述多孔金属网表面设有电镀层，所述多孔金属网孔径为0.076-0.4毫米，多孔金属网厚度为0.01-0.4毫米；所述微孔层由炭黑浆料涂覆于碳纤维织物表面，基底与微孔层重叠后通过压合为一体。

所述多孔金属丝网为冲孔网、编织网、拉伸网、激光打孔网、线切割网、粉末冶金网、铸造网、注塑网、泡沫网中的一种。

所述多孔金属网材质为钛、镍、不锈钢、金、银网、激光打孔钛板、镍板中的一种。

所述电镀层表面为：镀碳、钛、氮化钛、氮化铬、碳氮化铬、金、黑锌、黑镍中的一种。

本发明质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：

（1）对多孔金属网表面进行表面处理；