[发明专利]一种新型燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用

说明书

本发明属于氢燃料电池技术领域，具体涉及一种新型燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用。将碳粉微粒在超声、球磨、纱磨或高速剪切的作用下溶于溶剂中，形成稳定悬浮液，再依次加入疏水剂乳液、增孔纤维与增稠粘合剂，混合搅拌，得到微孔层浆料；将配制好的微孔层浆料均匀涂覆于基底层一侧表面，烘干，制成微孔层；再将其置于保护气氛下进行烧结，即得所述燃料电池用气体扩散层。本发明将易降解纤维加入微孔层中，经过高温烧结可形成贯通孔道，可以大大减少微孔层中的非贯通孔比例，使燃料电池在工作中提升传质效率、增强排水性能。

技术领域

本发明属于氢燃料电池技术领域，具体涉及一种新型燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能的一类电池，其中氢燃料电池以氢气以及氧气作为燃料，水作为产物，从能源消耗以及环境污染的角度来看，能够真正实现零排放，低污染，具有非常好的应用前景。

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，其核心部件膜电极主要由质子交换膜、催化剂和气体扩散层构成。其中气体扩散层在电极中不仅起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能。随着燃料电池技术的发展，对燃料电池单电池功率密度的输出有越来越高的要求，而燃料电池内部水管理对燃料电池的功率输出有直接的影响。气体扩散层作为在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。

目前气体扩散层制备技术中主要依靠导电碳黑均匀涂覆于基底层碳纸上形成，通过碳黑微粒高比表面积与几何形状形成多孔状材料，达到支撑、电荷转移、传质、排水的作用。

中国发明专利(申请号202010064394.2)公开了一种燃料电池气体扩散层的多孔碳膜及其制备方法，其特征在于利用膨胀造孔剂热固化形成多孔结构实现，其膨胀造孔剂为热膨胀剂包覆升华型造孔剂颗粒，在热固化过程中，升华型造孔剂颗粒受热升华促进膨胀剂长大，在模具作用下使薄膜内部具有较大的横向内应力，即可为气体扩散层提供孔隙。此类气体扩散层所具有微孔层采用压汞法测试，均无法识别闭合孔、半通孔、贯通孔的区别，会造成如下问题：虽然气体扩散层孔隙率较大，但在气体扩散层平面内，气流很难均匀分布；另外垂直于气体扩散层方向，有效气体流量有限，容易造成反应不充分、水淹、阻碍电流有效传输。

中国发明专利(申请号202110690914.5)公开了一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层及制备方法，其特征在于气体扩散层包括基底层和微孔层，其微孔层由导电碳粉和疏水材料制成，通过改变疏水剂配比形成疏水梯度，使微孔层的疏水性梯度在沿气流方向逐渐增加。此类气体扩散层只进行疏水梯度方向的设计，并未考虑孔结构对排水效果的影响，并采用碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸锂等作为成孔剂，很难形成有效梯度有效通孔结构。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种新型燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明第一方面提供了一种新型燃料电池用气体扩散层，其由基底层和微孔层组成，所述微孔层是在基底层表面一侧涂覆含易降解纤维浆料制备而成；所述易降解纤维为蛋白纤维、纤维素纤维、甲壳质纤维、聚乙烯醇纤维、聚羟基链烷酸酯纤维或聚乳酸纤维。通过添加易降解纤维作为增孔填料，高温烧结后可以形成有效贯通孔，减少或消除无效闭合孔、非贯通孔，提高气体扩散层传质排水的效果。

本发明第二方面提供了上述新型燃料电池用气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将碳粉微粒在超声、球磨、纱磨或高速剪切的作用下溶于溶剂中，形成稳定悬浮液，再依次加入疏水剂乳液、增孔纤维与增稠粘合剂，混合搅拌，得到微孔层浆料；

步骤2：将步骤1配制好的微孔层浆料均匀涂覆于基底层一侧表面，烘干，制成微孔层；