[发明专利]一种燃料电池气体扩散层、其制备方法、膜电极组件以及燃料电池

说明书

本发明公开了一种燃料电池气体扩散层，其包括气体扩散层基底层(31)、微孔层(32)，所述微孔层是包含有1％～80％质量分数的具有50nm～300nm尺寸轮廓、内部具有2nm～50nm孔径介孔、经过表面改性处理的珊瑚状或海星状或树枝状或具有凸出形状结构的碳粉材料，还含有10％～45％疏水剂，1％～79％导电颗粒，以及1％～30％氧化铈颗粒。该气体扩散层具有良好的气体传输能力。采用该气体扩散层结构制备出的膜电极以及装配成的燃料电池电堆，在大电流运行能够表现出良好的性能。本发明还公开了相关的制备方法、膜电极组件以及燃料电池。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，更具体的说，涉及一种燃料电池气体扩散层、制备方法、膜电极组件以及燃料电池。

背景技术

燃料电池是新能源汽车主要动力装置之一。目前由日本丰田公司生产的第一辆商业化的燃料电池汽车Mirai已经上市，时速最高可达100km/h，一次加氢可续航约500km。但是其造价仍然昂贵，且在性能、安全性、寿命等方面与用户需求还存在一定差距。因此，进一步研究电池内部特性，寻求降低燃料电池汽车的成本的材料以及提高其性能与延长寿命的方法迫在眉睫。燃料电池除了运用在新能源汽车领域，在国防、航天和民用的移动电源、分布式电站、潜艇、无人机、计算机与通信等许多领域也具有巨大的市场潜力和十分广泛的应用前景。

质子交换膜燃料电池是发展最成熟，最接近于商业应用的燃料电池。气体扩散层(Gas Diffusion Layer,GDL)是质子交换膜燃料电池的重要组件，在燃料电池中位于流场和催化层之间。气体扩散层在质子交换膜燃料电池膜电极中主要有五个作用：第一、支撑起质子交换膜和催化层；第二，将流场流道内的阴阳极反应气体通过分子扩散和努森扩散传输到催化剂表面；第三，将催化层产生的电子传输到极板。第四，催化剂层生产的水在气体扩散层通过毛细效应和浓差扩散等传输到流道及时排除，避免出现传质极化。第五：有时，气体扩散层承担起催化层附着的功能，将催化层直接涂覆在气体扩散层表面。常用的气体扩散层以碳纤维为原料，经过湿法抄纸或非织无纺干法制备出原纸，然后经过碳化和石墨化工程制备出气体扩散层原纸。常用的气体扩散层后处理方法是将气体扩散层原纸先在疏水溶剂中浸润，高温固化，然后再在一层涂覆微孔层。如中国专利CN106299398A将高导电性材料、造孔剂、疏水剂和分散液通过搅拌的方式配制成成分均匀，再涂覆在经疏水处理的碳纸或碳布上形成反复多次，通过热处理后使其具有疏松多孔且亲疏水性的气体反应通道，该发明使用炭黑作为导电剂。中国专利CN 110492124 A使用导电碳材料为导电碳黑、活性炭、碳微球、碳须晶、石墨粉、乙炔黑或碳纤维中的一种或多种的混合，所述导电碳材料的粒径为0.01～2.60μm。中国专利CN 110380061 A使用的导电碳粉为乙炔黑、Vulcan XC-72、Black pearls、碳纳米管、石墨烯粉末中的一种或几种的混合物。上述这些碳材料以颗粒小，比表面积大，导电良好为特点，但本身不具备介孔，无法传输反应气体。

通过上述描述可知，如何保证燃料电池气体扩散层在具备良好导电导热的特性同时，又具备良好的气体传输能力，降低高电密区间出现的传质极化，以及在低铂金载量情况下的局部严重传质极化问题，以保证燃料电池具有较好的性能，是燃料电池领域一个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的一些实施例提供了一种燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层包括基底层和微孔层，所述微孔层是包含有1％～80％质量分数的具有50nm～300nm尺寸轮廓、内部具有2nm～50nm孔径介孔、具有凸出形状结构的碳粉材料，还含有10％～45％疏水剂，1％～79％导电剂，以及1％～30％氧化铈颗粒。

在一些实施例中，所述具有凸出形状结构的碳粉材料为珊瑚状或海星状或树枝状。

在一些实施例中，所述具有凸出形状结构的碳粉材料为经过表面改性处理的具有凸出形状结构的碳粉材料。

在一些实施例中，所述疏水剂为聚四氟乙烯、四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物、聚偏氟乙烯、聚三氟氯乙烯中的一种或几种的混合物，优选聚四氟乙烯。