[发明专利]一种燃料电池薄层化石墨烯气体扩散层及制备方法

说明书

本发明属于燃料电池领域，提出一种燃料电池薄层化石墨烯气体扩散层及制备方法，在合成超高分子量聚乙烯的过程中，将石墨烯分散在其中，石墨烯均匀驻留于超高分子量聚乙烯，进一步制备成铸膜液涂抹并在膜表面喷涂导电剂干粉，进一步在烯烃蒸汽环境中进行拉伸，拉伸基膜厚度至10‑20μm；在拉伸时使粘附的导电剂形成微孔；高再出去溶剂是基膜出现微孔；得到一种燃料电池薄层化石墨烯气体扩散层。通过采用掺杂石墨烯超高分子量聚乙烯分散聚乙烯膜，具有优异的导电性、强度和韧性，从而可以超薄化，而且孔构均匀可控，为水气传输纵向提供快速通道，大幅降低传质阻力；微孔层成孔均匀，有效地使水气传输覆盖整个活性面。

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薄层化石墨烯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，气体扩散层位于流场与催化剂层之间，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多重作用，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。扩散层通常由基底层和微孔层组成，基底层通常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，其厚度约为100-400μm,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，厚度约为10-100μm，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。气体扩散层的厚度是影响扩散层性能的一个重要参数，扩散层太厚，气体传递路径长，增加了传质阻力，传质极化严重；如果扩散层太薄，机械强度受到影响，不但会发生催化剂渗漏，而且孔结构容易损坏。

现有碳纸为基材的气体扩散层厚度较厚，进一步薄层化后易断裂，中国发明专利申请号201110428198.X公开了一种燃料电池用多孔气体扩散层的后处理方法，多孔气体扩散层由碳布或碳纸与整平层构成，经过多次加温加压处理，将气体扩散层厚度降低为0.1-0.2mm，孔隙率20％-80％，平均孔径0.002-0.2μm，但多次加压处理降低了孔径，不利于液态水的运输，降低扩散层的传质，增加了制造成本。

中国发明专利申请号201710156824.1公开了一种燃料电池气体扩散层结构，包括一基底层和一微孔层，基底层的一侧具有气体流道，另一侧与微孔层相连，基底层的材质为金属纤维毡，微孔层上具有铜-石墨烯复相膜。该发明的燃料电池气体扩散层降低了传统碳纸扩散层的厚度，提高了气体扩散层的机械强度，而气体扩散层整体质量较大，不利于减轻电池重量，在不同膜层间结合力不足导致膜层脱落，降低电池循环使用寿命。

因此，提出一种燃料电池薄层化石墨烯气体扩散层，降低现有气体扩散层厚度，提高气体扩散层强度和韧性，对推动燃料电池的薄层化发展具有重要意义。

发明内容

针对现有燃料电池气体扩散层基材厚度大影响气体传递，增加了传质阻力的缺陷，为确保薄层化后基材的良好强度和耐久性，本发明提出一种燃料电池薄层化石墨烯气体扩散层及制备方法，具有优异的导电性、强度和韧性，从而气体扩散层实现超薄化，为水气传输纵向提供快速通道，大幅降低传质阻力。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：