[发明专利]一种燃料电池用陶瓷气体扩散层及制备方法

说明书

本发明提出一种燃料电池用陶瓷气体扩散层及制备方法，以氧化铝原料、铝硅质原料、导电中空纤维等材料作为原料，制备的燃料电池用陶瓷气体扩散层包括陶瓷基层和微孔层，其中陶瓷基层厚度为1‑2mm，为微孔陶瓷，陶瓷基层内垂直于陶瓷面的方向镶嵌导电中空纤维，微孔层厚度为50‑100μm，贴于陶瓷基层表面。本发明提供的燃料电池气体扩散层通过在陶瓷薄层中镶嵌金属中空纤维，不但具有良好的导电性，而且中空纤维的毛细作用促进水的快速传输，克服了现有燃料电池气体扩散层使用陶瓷作基材导电性差，水传输效果差的缺陷，同时陶瓷成本低，耐腐蚀性好，寿命长。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池用陶瓷气体扩散层及制备方法。

背景技术

由于对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重，寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质，对环境没有污染以及具有高的能量效率和高的功率密度。燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，近年来成为各国研究开发的热点。

膜电极是燃料电池的核心部件，其核心部件膜电极是由气体扩散层、催化层和质子交换膜通过热压工艺制备而成。其中，作为具有导电性的多孔构件的气体扩散层通常设置在电极和隔离膜之间，用于在电极层和外部电路之间稳定地转移氢气、氧气、水、电子和热等，实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配，是影响电极性能的关键部件之一。气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，传统基底层材料使用多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维非纺材料及碳黑纸，主要起到支撑微孔层的催化层的作用，微孔层主要是改善基底层孔隙结构的一层碳粉，目的是降低催化层和基底层之间的接触电阻，使得流道气体以及产生水均布分配。

为了改善反应气和液态水在气体扩散层中的传递，减小浓差极化，要求气体扩散层必须具备合适的孔隙率、孔径尺寸、适宜的厚度及较低的电阻，从而确保电极内的水既能维持膜的充分润湿又能避免电极“水掩”之间达到平衡，才能有效提高电池性能显著提高电池的输出性能。选用高性能的气体扩散层基底材料有利于改善电极的综合性能。通常基底材料必须满足（1)均匀的多孔质结构，保证优异的透气性能；(2)低的电阻率，保证较高的电子传导能力；(3)结构紧密表面平整，减小接触电阻，提高导电性能；(4)具有一定的机械强度，利于电极制作；(5)适当的亲水憎水性能；(6)具有化学稳定性和热稳定性；(7)低的制造成本，高的性价比。不同类型基底具有不同的厚度、孔隙度和表面电阻，直接影响扩散层的透气性和导电性。

多孔碳纸和碳布是质子交换膜燃料电池最常用的扩散层基底材料，碳材料作为骨架的气体扩散层强度有限，在制备大面积空气阴极时常会出现弯曲变形的情况。陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料，它具有强度高、耐腐蚀、耐久性的特点，技术人员希望将陶瓷用于扩散层材料，但由于陶瓷导电性较差，水传输不佳从而影响了其应用。中国发明专利申请号201510324569.8 公开了一种气体扩散层，包括导电多孔支撑体和疏水层，所述导电多孔支撑体的材料选自导电陶瓷，疏水层的材料选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物等疏水高分子材料包覆导电多孔支撑体表面及导电多孔支撑体的孔道内壁，然而，疏水层材料导电性和耐高温性能较差，包覆在导电陶瓷表面降低电子传导能力，从而影响了燃料电池的运行性能。因此，提高陶瓷基底导电性和运输水性能，对于陶瓷基气体扩散层材料的应用具有十分重要的实际意义。

发明内容

针对目前陶瓷导电性较差，水传输不佳从而影响了其应用的缺陷，本发明提出一种燃料电池用陶瓷气体扩散层及制备方法，从而提高陶瓷基底导电性和运输水性能，提高气体扩散层材料使用寿命。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：