[发明专利]一种高导电性超疏水气体扩散层及其制备方法

说明书

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种高导电性超疏水气体扩散层及其制备方法。所述气体扩散层包含由疏水处理多孔导电基底材料和涂覆在多孔导电基底材料一侧的超疏水碳纳米管/碳材料复合微孔层或由其组成。超疏水碳纳米管具有远高于聚四氟乙烯的导电率，因此使用超疏水碳纳米管作为疏水剂将大大提高气体扩散层中微孔层的导电性。利用本发明不仅可以得到一种高导电性超疏水气体扩散层，而且其制备过程无需高温处理，具有低能耗、环保的特点，具有较强的实用性。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及燃料电池关键材料中的气体扩散层，特别是涉及气体扩散层中的微孔层及其制备方法。

技术背景

燃料电池是一种可以将氢气、甲醇、乙醇等燃料的化学能直接转换为电能的发电装置，其具有能量转换效率高、产物清洁等特点。燃料电池电堆是由许多单片燃料电池堆叠而成。单片燃料电池是由中间的膜电极以及将膜电极夹在中间的双极板组成，将多个单片电池堆叠组装在一起形成燃料电池电堆。膜电极的组成从中间到两边依次是质子交换膜、催化层和气体扩散层。气体扩散层在膜电极中起着承受双极板的压应力，保护催化层，促进气体均匀的扩散到催化层，排出水汽，传导电流等多重作用，是影响燃料电池电极性能的关键部件之一。

气体扩散层是由多孔碳纸、碳布、发泡金属等多孔导电材料构成的支撑层和以导电炭黑/疏水剂涂覆形成的微孔层共同组成。由于燃料电池在工作时会在阴极产生水，如不及时排出则会造成催化层被水淹从而降低燃料电池性能。疏水表面不易吸附水，使水能够快速排出，因此需要对多孔支撑层和微孔层进行疏水处理。

在现有技术中，对气体扩散层中微孔层的制备的通常做法是：将导电炭黑、碳粉等与疏水剂在溶剂中混合均匀后通过喷涂、刮涂、丝网印刷等工艺涂覆于经过疏水处理的支撑层上，烘干后再在高温(350℃左右)下处理一定时间，最后得到疏水气体扩散层，参见毛宗强主编《燃料电池》。

中国发明专利申请号200610047931.2(一种燃料电池用气体扩散层及其制备)将乙炔黑与疏水剂混合后涂覆于经疏水处理的碳纸或碳布上，然后经过 150～280℃的加热，再在300～400℃下培烧10～100min得到疏水气体扩散层，其中疏水剂用量到达10％～30％。

中国发明专利申请号201810493251.6(一种燃料电池用耐久性超疏水气体扩散层)将质量份数分别为3-4:1-2:10-15的导电剂、疏水微球和粘结剂混合后涂布于疏水处理的碳纸上，在270-380℃下，通入保护性气体经20-30min烧制处理得到疏水处理气体扩散层。该专利所述方法改善了微孔层的表面光滑度和平整度。

现有技术中，疏水剂通常采用聚四氟乙烯(PTFE)、偏四氟乙烯(PVDF)或氟化乙丙烯(FEP)等含氟聚合物或者聚甲基硅氧烷等具有疏水性的高分子材料。但由于这些疏水剂本身不导电(电导率<10^-14 S/cm)，使用这些疏水剂会使气体扩散层的导电性降低。

碳纳米管具有高的比表面积、高的导热导电率，耐电化学腐蚀以及优异的力学性能，可应用于超级电容器和锂离子电池的电极材料等。为了将碳纳米管应用于更多的场景，对碳纳米管进行疏水改性也有较多的报道。例如使用十八烷胺对多壁碳纳米管改性得到接触角为165°、导电率为11.3 S/cm的超疏水导电碳纳米管，参见Yao H,Chu C C,Sue H J,etal.Electrically conductive superhydrophobic octadecylamine-functionalizedmultiwall carbon nanotube films[J].Carbon,2013, 53:366-373；多壁碳纳米管接枝含氟聚合物当碳纳米管与聚合物的质量比为10:3 时得到接触角为157.7°，参见Soojin P,Longyue M.Improvement of Superhydrophobicity of Multi-Walled Carbon NanotubesProduced by Fluorination[J]. Carbon Letters,2012,13(3):178-181。