[发明专利]一种燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法。

背景技术

燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，在基站电源、中小型电站、电动车、备用电源、便携电源等方面，具有广阔的应用前景。燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池、微生物燃料电池、生物燃料电池等。燃料电池主要由端板、集电板、双极板、膜电极（MEA）等组成。其中膜电极是燃料电池的核心部件，其主要有气体扩散层、聚合物电解质膜和催化剂构成，聚合物电解质膜的一侧具有阳极催化剂，相对侧具有阴极催化剂。涂有催化剂的聚合物电解质膜夹在一对气体扩散层之间，形成膜电极。 

 气体扩散层在膜电极的性能表现中占有举足轻重的作用，主要起电流的收集、对聚合物电解质和催化剂的支撑，在膜电极对水、气和热管理等方面具有重要作用。例如，作为用于使反应物气体扩散到阳极和阴极层的扩散体，同时将产物水排到膜电极外表面。气体扩散层还具有良好导热作用，有利于MEA处产生的热量散失。 传统的气体扩散层胚体机械强度差致使对聚合物电解质膜和催化剂的支撑不好；由于工艺技术原因对气体扩散层胚体的厚度控制误差较大，导致气体扩散层与催化剂接触和与双极板接触均不好，造成接触电阻增大，致使电堆性能较差；由于工艺的技术原因造成气体扩散层胚体的孔径分布不均一，孔隙分布不均匀，造成气体扩散层的透气性和排水性能较差，导致膜电极的性能差，而且不稳定。目前燃料电池扩散层胚体制造方法有两种，一种是通过湿法造纸技术使用抄纸工艺制造，一种是采用干法造纸工艺制造。湿法造纸工艺缺点：厚薄不均匀，厚薄均匀度误差在±0.02毫米，导致使用该胚体制造燃料电池扩散层时，难以保证扩散层的表面平整度，使扩散层接触电阻增大，影响燃料电池性能。胚体厚度难以控制。干法工艺缺点：胚体强度低，扩散层承压能力差，不利于燃料电池组装，燃料电池运行寿命低。无论是湿法工艺还是干法工艺，都存在制造工艺可重复性差的缺点，难以保证大规模制造扩散层时品质一致性，进而影响燃料电池产业化。

公开号为CN 102106027A 的发明专利公开一种气体扩散层，具有结构化亲水物，亲水畴通过疏水畴隔开。该方案主要解决的是膜片和相邻的催化剂层必要的湿度保持以及所形成的水的排出之间的平衡问题，不能解决气体扩散层的机械强度及厚度控制问题。

公开号为CN 103299463A的发明专利公开一种气体扩散电极，气体扩散电极包括相互设置的气体扩散层和反应层，其中气体扩散层层由以下方法制备 ：i）混合 a）牺牲材料（sacrificial material）、b）聚合物和 c）金属基材料以及 d）可选的进一步的组分，其中所述牺牲材料具有低于约 275℃的释放温度并以根据混合的 a)-d) 的总质量的约 1 wt% 至约 25 wt% 的量添加 ；ii）由步骤 i）的混合物形成扩散层 ；iii）加热形成的扩散层至低于约 275 ℃的温度，从而从该扩散层释放至少一部分的所述牺牲材料。该方案主要解决的是改善电极的疏水性和导电性，具有较低的电位、改进的稳定性和电流分布，但是不能解决扩散层机械强度及厚度控制问题。

公开号为CN 1989641A的发明公开一种气体扩散基材的制备方法，将石墨颗粒和疏水聚合物的悬浮液相混合以形成第一浆体，将石墨化的碳纤维、液体和任选的粘合剂相混合以形成第二浆体；将第一浆体和第二浆体相混合以形成第三浆体；将第三浆体沉积到多孔床上以形成含纤维层；在不超过1000℃温度下干燥和煅烧该含纤维层。该方法也无法控制气体扩散基材的厚度。

公开号为CN103165909A公开一种燃料电池用多孔气体扩散层的后处理方法，多孔气体扩散层包括电极支撑体，以及电极支撑体一侧表面设置的整平层构成，电极支撑体与整平层复合后经干燥或焙烧，干燥或焙烧后的多孔气体扩散层再进行后续加温加压处理。经过热压整平处理后扩散层的厚度减小，增大了扩散层中各组分的传输速率，平整度增加有利于活性层组分的均匀分布，提高电极的整体性能。该方法后续操作复杂，且仅能提高气体扩散层的平整度，对于机械强度及厚度依然不易控制。

发明内容

发明目的： 本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种制造工艺重复性好，制造效率高、机械强度高、厚薄均匀度高、厚度可控、接触电阻小、导电率良好、透气性和排水性性能好的燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法。

技术方案： 本发明所述燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，包括如下步骤：