[发明专利]燃料电池用气体扩散层及其制备方法、燃料电池

说明书

本发明提供了一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法、燃料电池。该制备方法包括以下步骤：向浸渍后碳基材料施加0.02～0.1Mpa的气压以进行一次疏水后处理，将一次疏水后处理碳基材料在‑0.02～‑0.05Mpa的负压环境下进行二次疏水后处理，在二次疏水后处理碳基材料的外表面上形成微孔层，得到燃料电池用气体扩散层。本发明通过上述特定的碳基材料浸渍分散液、以及特殊正负压环境协同的疏水工艺，有效改善了气体扩散层中基材层的空间结构，从而大幅度地提升了气体扩散层的使用性能，燃料电池的电化学性能。另外，上述制备方法简单易操作，且原料易得，更适宜于工厂生产推广。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法、燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)存在工作温度低、噪音小、无污染的优点，其备受广大专家与学者的青睐。膜电极七合一组件通常由质子交换膜、催化剂及气体扩散层(GDL)组成，是PEMFC的关键组成部分。其中GDL主要起到催化剂载体、支撑电极结构、排水传气、导电等作用，决定了燃料电池在高电流密度下的性能，决定了其性能的上限。随着双碳目标的提出，氢燃料电池应用场景的多元化，更高的功率密度已经明确纳入国家的氢燃料电池补贴标准，高性能的GDL产品的需求迫在眉睫。现有技术的碳纸基材疏水处理工艺，所用的疏水处理浆料的配制工艺一般为纯水稀释后的聚四氟乙烯溶液(通常固含量为5～12％)。聚四氟乙烯作为疏水剂能够附着在气体扩散层碳纤维表面，形成一层疏水保护膜，增加了GDL的电阻率，同时阻塞了碳纸基材的有效孔，GDL的水气管理能力不佳，从而影响燃料电池的整体性能。

现有技术中，例如公开号CN 110676468 A专利公开了一种对质子交换膜燃料电池内阴极气体扩散层材料的疏水性能进行处理的方法，处理的具体方法主要分为：清洗去尘、烘干、将碳纸置入稀释的聚四氟乙烯悬浮液中浸泡、对特定区域冲洗去除溶液、再次烘干等9个步骤。本发明可以实现阴极气体扩散层内水传输行为的宏观调控，促进催化层产生的水及时排出，有效减缓水淹现象；另一方面根据脊和流道下方不同的干燥性需求，可以实现定向提升脊或流道下方阴极气体扩散层传输反应气体的能力从而提高电池性能。但是，此发明专利技术方案提出了阴极气体扩散层进行非均一化处理，通过控制水的传输和特征分布，提升了质子交换膜燃料电池的性能。该专利的思路比较好，但是有以下缺点：该疏水方式效率低、并且局限性比较大。另外，未经疏水处理的地方，在高加湿大电流密度下，会产生堵水的情况，从而未能充分发挥出电池的高性能。

例如公开号CN105742666 A专利公开了一种新型燃料电池用碳纳米管气体扩散层及其制备方法和应用，该扩散层由碳纳米管在大孔炭基支撑层上原位生长制得，碳纳米管厚度为1～50μm；碳纳米管集中生长在大孔炭基支撑层靠近催化层的一侧，由于碳纳米管具有强疏水性，因此碳纳米管集中生长的气体扩散层内侧具有疏水性，无憎水粘结剂添加的情况下接触角为130～150°，这种气体扩散层在内侧不需要额外添加疏水剂，能够同时具备良好的疏水、导电和传质能力，能够提高燃料电池高电流密度下的输出性能。但是，此发明专利通过在碳基材料上原位生长碳纳米管，也是一种非常好的一个思路，但是通常引入各种不同的催化剂前驱体会造成工艺复杂，还可能造成生长出的碳纳米管结构不是所设计需要等问题，性能提升不明显或者性能很差。此外还要再进行微孔层浆料的涂布，造成工序更加繁琐，成本高且不易于产业化。

综上，现有技术中的燃料电池用气体扩散层或存在电阻率高、或存在水气管理能力不佳、或存在制备方法复杂不易产业化生产等的问题。故而，有必要提供一种新的气体扩散层的制备方法，以改善上述问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法、燃料电池，以解决现有技术中的燃料电池用气体扩散层或存在电阻率高、或存在水气管理能力不佳、或存在制备方法复杂不易产业化生产等的问题。