[发明专利]一种金属锡粘结的燃料电池柔性气体扩散膜及制备方法

说明书

本发明属于燃料电池膜电极的技术领域，提供了一种金属锡粘结的燃料电池柔性气体扩散膜及制备方法。该方法以金属锡粉、导电碳材料、焦炭粉、发泡剂、木质纤维、纤维素醚胶体为原料制成膏状物，然后冷压延、发泡定型得到蓬松的片材，然后将蓬松的片材升温烧结、水蒸气处理及烘干，制得柔性燃料电池气体扩散膜。与传统方法相比，本发明的制备的气体扩散膜，不仅柔性好、韧性好，而且保留了导电碳材料的网络空隙，避免了使用聚合物影响导电性透气性的缺陷，同时制备工艺简单，易于规模化连续生产，能耗低，成本低。

技术领域

本发明属于燃料电池膜电极的技术领域，提供了一种金属锡粘结的燃料电池柔性气体扩散膜及制备方法。

背景技术

燃料电池是一种零排放、高效率与高功率密度的发电装置，特别是在新能源交通动力应用方面具有极其诱人的前景。燃料电池的关键技术核心部件是膜电极，其作为燃料电池的“芯”。膜电极是多相物质传输和电化学反应场所，决定着燃料电池的性能、寿命及成本。

膜电极组件是以质子交换膜为夹层中心，在两侧分别复合催化层、气体扩散层而形成的扩散层-催化层-质子交换膜-催化层、扩散层结构的组合件。燃料电池扩散层是影响电池性能的关键部件，其主要作用有：支撑催化剂和膜结构；均匀分布气体；支撑整体结构，同时要求扩散层又是气体、电子和水的传输通道。因此要求扩散层兼具导电、透气、疏水、强度的综合特性。

目前，燃料电池扩散层大都使用碳纸，但现有碳纸制备技术在产业化制备碳纸方面存在缺陷，碳纤维的预成型困难，而且后续高温碳化能耗高，制备的碳纤维纸发脆，不耐折，难以批量规模化生产。特别是在用于气体扩散层时影响贴合，碳纸容易损伤。如何既保证碳纸良好的导电性透气性，又具有良好的柔性，是目前碳纸在燃料电池规模化应用必须解决的问题。另外，通过将导电碳材料与聚合物采用压延制备燃料电池碳纸，可以较佳的解决脆断的问题。

目前国内外在燃料电池膜电极技术，尤其是燃料电池气体扩散层方面已取得了一定成效。其中 王彪等人发明了一种用于质子交换膜燃料电池气体扩散层的碳纤维纸的制备（中国发明专利申请号200910053648.4），此发明包括：（1）对沥青基碳纤维进行水处理，对PAN基预氧化纤维进行活化处理；（2）短切；（3）混合进行湿法造纸成型，得到原纸；（4）将碳纳米管和/或导电炭黑颗粒分散在树脂溶液中（5）将上述树脂溶液喷涂于原纸的上、下表面，烘干后热压成半成品；（6）将半成品进行热处理即得。另外， 刘宛等人发明了一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层材料（中国发明专利申请号201721695602.9），该气体扩散层碳包括：碳纤维层、微孔导电涂层。碳纤维层中分布有纳米碳纤维和短切碳纤维，碳纤维层上下为石墨烯和PETE组成的微孔导电涂层。

可见，现有技术中的通过将导电碳材料与聚合物压延制备燃料电池碳纸，虽然具有一定的韧性，但由于聚合物影响，存在导电性较差、透气性较差的缺陷。

发明内容

针对这种情况，我们提出一种金属锡粘结的燃料电池柔性气体扩散膜及制备方法，可有效保证气体扩散层柔性、韧性的同时，提高了导电性和透气性。

为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：

一种金属锡粘结的燃料电池柔性气体扩散膜的制备方法，以金属锡粉、导电碳材料、焦炭粉、发泡剂、木质纤维、纤维素醚胶体为原料制成膏状物，然后冷压延、发泡定型得到蓬松的片材，然后将蓬松的片材升温烧结、水蒸气处理及烘干，制得柔性燃料电池气体扩散膜，制备的具体步骤如下：

（1）将金属锡粉、导电碳材料、焦炭粉、发泡剂、木质纤维、纤维素醚胶体加入混合机中，在温度为40~50℃下，以100~200r/min的转速搅拌2~3h，制得膏状物；

（2）将步骤（1）制得的膏状物加入三辊冷压延机中，利用冷压延工艺制成片状，然后以10~15℃/min的升温速率缓慢升温至190~210℃，发泡定型30~40min，制得蓬松的片材；