[发明专利]一种用于降低磷酸流失的高温燃料电池扩散层的制备方法

说明书

一种在高温燃料电池中可降低磷酸流失的扩散层制备方法，本方法包括基底材料预处理、浆液和微孔层制备，通过基底材料的预处理、浆液的优化和制备方法的改进，制备的扩散层在高温燃料电池的运行过程中可降低高温膜和催化层中用于传导质子的液体电解质磷酸的流失，从而提高高温燃料电池的性能和稳定性。本方法通过浆液和制备方法控制扩散层的孔隙率和孔径分布，获得一种确保气体传输的同时阻止催化层中磷酸流失的扩散层。所述方法中基底材料为各种型号的碳纸和碳布，基底材料预处理为疏水处理。微孔层制备于疏水处理的基底材料表面，微孔层制备采用不同粘度、固含量的碳粉和PTFE浆液，采用多次涂覆的方法制备微孔层。

技术领域

本发明属于高温燃料电池技术领域，特别涉及一种用于降低高温燃料电池应用中磷酸流失的扩散层制备方法。

背景技术

高温（120-200℃）质子交换膜燃料电池由于较高的抗CO 毒化能力，相对于低温低温质子交换膜燃料电池简单的水热管理系统，近年逐渐成为研究热点。磷酸（H₃PO₄）掺杂的聚苯并咪唑（PBI）膜是公认的高温质子交换膜最佳材料之一，目前广泛应用与高温质子交换膜燃料电池中。在高温质子交换膜燃料电池中PBI膜本身没有导电性和传导质子的能力，PBI膜必须掺杂磷酸后才能用于高温质子交换膜燃料电池中。在高温条件下，首先，质子在膜中的传递是通过吸附在PBI膜中的磷酸完成的，其次磷酸在催化层中也有很重要的作用，催化层中的质子传导是通过高温条件下催化层中磷酸电离实现的，磷酸掺杂最重要的一个作用是提高膜的电导率，否则膜没法应用于高温燃料电池中。因此磷酸在PBI膜体系的高温燃料电池中具有非常重要的作用，如果在应用过程中磷酸大量流失，势必造成电池性能下降，文献1中报道磷酸流失严重时高温PEMFC燃料电池性能大幅度降低。

发明内容

本发明通过基底材料的预处理、浆液的优化和制备方法的改进，制得的扩散层在高温燃料电池的运行过程中可降低高温膜和催化层中用于传导质子的液体电解质磷酸的流失，从而提高高温燃料电池的性能和稳定性。

本发明一方面提供一种扩散层的制备方法，包括以下步骤：

(1)预处理

扩散层基底材料经疏水剂乳液浸渍处理，在300-350℃下进行热处理；

(2)制备浆液

混合导电炭材料、疏水剂和溶剂，制得所述浆液；

(3)制备微孔层

在经步骤(1)处理的基底材料的表面上涂覆步骤(2)制备的浆液，得到具有微孔层的扩散层；

步骤(3)中，采用多次涂覆的方式制备微孔层，逐次递减所述浆液的固含量和粘度。

作为优选的技术方案，扩散层基底材料为碳纸和碳布；步骤(2)中，所述导电炭材料为碳纳米管、碳纳米纤维、vulcan XC-72(卡博特碳粉)、乙炔黑、BP2000(卡博特碳粉)、KB(科琴黑碳粉)中的至少一种；所述疏水剂为聚四氟乙烯(PTFE)乳液、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)乳液、聚三氟氯乙烯(PCTFE)含氟的聚合物中的至少一种；所述溶剂为水、乙醇、乙二醇、异丙醇、丁醇、正丁醇、丙三醇中的至少一种；步骤(1)中，所述疏水剂乳液的浓度为2wt％-10wt％。

作为优选的技术方案，经步骤(1)浸渍后，所述扩散层基底材料中疏水剂的含量为1wt％-30wt％。

作为优选的技术方案，浆液中疏水剂的比例为1wt％-60wt％；5wt％-30wt％较好，10wt％-25wt％最佳。

作为优选的技术方案，所述涂覆微孔层的工艺为刮涂、刷涂、涂布、喷涂或丝网印刷；进行多次涂覆。