[发明专利]一种燃料电池用气体扩散层的制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池用气体扩散层的制备方法，气体扩散层由支撑层和导电微孔层组成，所述微孔层含有部分单壁碳纳米管，气体扩散层的制备方法如下：首先将多孔支撑层憎水处理，然后将微孔层均匀的分散到支撑层上，最后经过热处理制成气体扩散层。本发明通过支撑层的差异化处理既能保证微孔层的稳定粘接强度，又能实现微孔层渗入支撑层的厚度，进而提高了气体的传输效率。单壁碳纳米管的引入能够增强微孔层的电化学稳定性和导电性。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池用气体扩散层的制备方法。

背景技术

燃料电池能够将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，其能量转换效率不受卡诺热机循环理论效率的限制，具有高效、环境友好、安静、可靠性高等优点，在众多领域具有广阔的发展前景。

其中质子交换膜燃料电池功率密度高、启动快、对负载变化响应快，成为交通运输领域能源重要发展方向。燃料电池的核心部件为膜电极材料，由质子交换膜、催化剂和气体扩散层通过热压工艺复合而成。反应气体，阳极常为氢气、阴极为空气或氧气，经导流极板导流，再经气体扩散层扩散至催化剂表面发生反应，反应产物水从膜电极表面从扩散层穿出汇入气流排出。

在燃料电池的反应过程，水管理是个重要的过程，既要保证质子交换膜含有足够的水，以达到最佳电导率，又要求能充分排出反应生成的水，以防止膜电极表面水淹现象，反应无法进行，对气体扩散的结构设计有严格的要求。

现有的气体扩散层的制备方法中针对微孔层在支撑层上的分散所采用的方法主要有改变憎水剂材料。如专利CN200610068168提供一种采用不同的浓度不同类型的含氟聚合物对支撑层进憎水处理。通过将支撑层浸入0.1-10％浓度的含氟聚合物I的乳液中，取出后在空气中或低温烘箱中干燥；重复上述操作至最终实现多孔支撑层中含氟聚合物的含量达到1-20％，然后放入炉中170-360℃处理5-60min。材料改性方面，专利CN200810230327.2通过将碳纳米管、碳纤维在溶剂中分散，再加入一定量的粘结剂，通过湿法成纸工艺，最后制的气体扩散层。该专利中主要引入了易得的原料、整个工艺还是传统的方式，没有对碳纳米管在微孔层中的应用进行保护，仅将其作为支撑层的原料。

现有技术通过对整个支撑层进行相同的憎水处理，不能满足支撑层具有高疏水性，也不能满足微孔层(MPL)与支撑层牢固粘贴。通常情况下出现的情况是，满足微孔层与支撑层的粘结力而造成部分微孔层(MPL)渗碳量过大，厚度及密度均匀性差、透气率低；另外一种情况就是，支撑层疏水性很好，但微孔层(MPL)独立在支撑层上，容易脱落；采用负压吸附时也会造成局部微孔层(MPL)的分布不均，进一步影响水汽传输。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种既能保证微孔层的稳定粘接强度，又能实现微孔层渗入支撑层的厚度，进而提高了气体传输效率的燃料电池用气体扩散层的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池用气体扩散层的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)支撑层的憎水处理：

(1-1)整体憎水处理：将多孔的导电材料，包括碳纸、碳纤维布及金属导电网经过含氟聚合物乳液中，然后干燥、收卷；

“经过”是指：多孔导电材料从一个固定的含有溶液的容器，使溶液完全渗透到多孔材料的表面。

(1-2)单侧憎水处理：将整体憎水处理后支撑层，依次通过喷淋含含氟聚合物乳液、干燥，最后得到两侧疏水性差异的支撑层；

(2)微孔层浆料制备：将导电碳黑、单壁碳纳米管和含氟聚合物混合研磨后与溶剂混合；

(3)微孔层涂覆：将微孔层浆料均匀地涂覆到支撑层中疏水性低的一侧，经干燥、滚压至微孔层和支撑层的重叠区厚度为200nm-20μm，完成燃料电池用气体扩散层的制备。