[发明专利]一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层及其制备方法，方法为：将主要由纤维状粘合剂、水、分散剂和长径比不同的碳纤维组成的碳纤维悬浮液进行抄纸和干燥得到碳纤维原纸后，在氮气或惰性气体保护下对其进行碳化和石墨化处理得到质子交换膜燃料电池用气体扩散层；纤维状粘合剂是由酚醛树脂与其他树脂组成的复合纤维或共混纤维；最终制得的质子交换膜燃料电池用气体扩散层具有孔梯度，且孔径最小的一层为本征微孔层。本发明的方法减少了原纸浸润树脂的步骤，可实现碳纸与微孔层的一体化成型，减少后续微孔层的涂敷制备，工艺简单，降低成本。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种新型和环境友好型的发电装置，可直接将存储于燃料中的化学能转化为电能，由于其发电无剧烈燃烧，转化过程绿色环保，所以使用燃料电池是解决当前能源危机的有效办法。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池因为具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、无污染、体积轻巧等诸多优点，被认为是最具发展潜力的电源之一。燃料电池在工作中会产生大量的水，如果没有办法及时排出，则会造成催化层水淹现象，堵塞整个电池通道，阻碍气体的传输。因此，有一个既能够有效传输气体，又能管理反应所产生的水的通道就尤为重要。

气体扩散层是燃料电池的重要组成部件之一，是由孔隙结构较为松散的基质层和孔隙结构较为紧凑的微孔层构成，不仅起着支撑催化层、稳定电极结构的作用，还具备为电极气体提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能。电池的效率、内阻与其息息相关，因此改善气体扩散层性能是发展燃料电池气液传输的重要途经。

气体扩散层的基质层一般需要满足四个条件：1)优良的导电率；2)良好的透气性；3)适当的亲水/疏水性；4)良好的机械强度。碳纸因具有均匀的多孔质薄层结构、优异的导电性和化学稳定性，成为目前使用最为广泛的基质层。碳纸常规的制备工艺主要包括制备碳纤维预制体、模压固化、碳化和石墨化等工序。其中预制体是一般是由碳纤维与粘合剂制备而成，粘合剂主要作用是将相互搭接的碳纤维粘结起来，形成一种平面叠加结构，不仅使预制体的结构更加紧密，提升其力学性能，还能连通更多导电回路，提高导电性能。因此，粘合剂的残碳率、与碳纤维间的粘结强度、粘合剂和碳纤维的分布均匀性等是影响着预制体性能的重要因素。粘合剂可以是固体，如粉末和纤维，也可以是液体，但是粉末状粘合剂通常会出现分布不均匀的问题，导致材料性能较差；液体粘合剂则通常存在附着量不可控以及污染大等问题。中国专利CN111900418A提供了一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸预制体的制备方法，虽然添加少量的纳米纤维素能够显著提高碳纤维的分散性，但是采用真空负压抽吸工艺将粘合剂树脂浸入碳纸依然无法解决树脂由于自身流动性和重力作用导致的在碳纸内部分布不均匀且附着量难以控制等问题，最终将导致碳纸整体均匀性较差。中国专利CN101047253A提供了一种以丙烯酸类纤维粘合的碳纤维纸，通过常规湿法造纸工艺制备将丙烯酸类纤维引入碳纤维叠片中，再经过固化和碳化制备得碳纤维纸，该碳纤维纸中的粘合剂分布均匀，但是由于丙烯酸类纤维的残碳率较低，所以碳化后碳纤维之间的粘结强度较弱。因此，发明一种可控、可着并具有高残碳率的预制体粘合剂，并将其用于预制体的制备，不仅能够缓解环境和能源危机，还对改善气体扩散层的性能有重要的战略意义。

气体扩散层的微孔层主要作用是降低催化层与基质层之间的接触电阻，使气体和水发生再分配，防止电极催化层“水淹”。目前主要由炭黑或石墨粉与少量粘结剂混合制成，喷涂或刷涂碳纤维多孔电极表面。中国专利CN112490454A通过转印手段制备具有碳纤维层和微孔层组成的一体化梯度结构的气体扩散层，提高了微孔层和碳纤维基底间的结合能力，提高了导电和气体传输能力，但是其工艺较为繁琐复杂，不利于大规模生产制备。中国专利CN201811457447.6利用硫原子掺杂的石墨烯和氟化乙烯丙烯共聚物制备的微孔层在中等湿度和低湿度环境下表现了不错的电池性能，最大功率密度较常规微孔层提高了55％，但是这种制备工艺复杂，且使用了成本极高的石墨烯。因此，发明一种具有本征微孔层的气体扩散层，在制备的过程中实现碳纸与微孔层的一体化成型，不仅工艺操作简单，而且可以降低工艺成本，以实现大规模工业生产。