[发明专利]一种梯度化扩散层及其制备方法

说明书

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种梯度化扩散层及其制备方法。其组成部分支撑层和微孔层设计为一体化结构，简化了工艺流程，避免了由于复杂工艺带来的一系列问题；所述的气体扩散层多孔材料的孔隙率、孔结构、孔径及其分布可自行设计，其梯度化主要体现在垂直于气体扩散层方向孔隙率的梯度化。按照本发明提出的利用3D打印成型技术打印燃料电池气体扩散层，克服了传统工艺难以制造形状复杂、尺寸精密的气体扩散层的问题，保证了孔隙结构和孔隙率的精确控制，实现了具有可变性、均匀性且相互连通的孔或孔道结构定制化制造，有利于电池整体性能的提升。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，特别是涉及一种梯度化扩散层及其制备方法。

背景技术

随着能源需求不断增大和环境污染问题日益严峻，发展高效可靠、环境友好的可再生能源已经成为必然趋势。质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC)因具有绿色环保、高比能量温、快速启动和高温平稳运行的特点，可能成为替代传统动力装置的新型能源装置。

质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池主要由质子交换膜(ProtonExchangeMembrane,PEM)、催化层(CatalystLayer,CL)、气体扩散层(GasDiffusionLayer，GDL)、双极板(Bipolar Plate，BP)等四个部件组成。作为与催化剂层反应气体与生成水的传输密切相关的结构，气体扩散层不仅能够导电、导热、支撑CL，还承载着反应气体的输送与生成水的疏导的关键作用，因而气体扩散层的良好性能对反应至关重要。然而，燃料电池的水管理仍是发展所面临的一大技术挑战。在电池催化层产生的水一旦无法及时排除，会导致电极内液态水的积聚，甚至出现水淹现象严重影响电池的整体性能。因此,对GDL进行优化设计是提升PEMFC性能的重要途径。

GDL通常由大孔的支撑层(GDBL)和小孔的微孔层(MPL)构成。后经疏水性较强的材料(如：聚四氟乙烯(PTFE))处理调整孔的亲疏水性，获得憎水的输气孔道和亲水的排水孔道。理想的GDL需要具有合适的孔结构和孔隙率、孔径分布，以保证反应气体的有效扩散和产物水的顺利排出。通常情况下，降低GDL的孔隙率会增强其导电性但同时也会阻碍反应气体的供给。反之，增加GDL的孔隙率可以提供充足的反应气体但会降低电子传导。除此之外，GDL的孔隙率还严重影响了CL内反应气体的分布均匀性以及电流密度，所以在改善气体传输且保证电子传导的条件下，对GDL的孔隙率进行梯度化设计是一种非常有效的方法。

目前，关于GDBL梯度化设计的研究主要集中于GDBL内孔隙率的梯度化以及疏水材料含量的梯度化。GDBL通常由商用碳纸或碳布等多孔介质混合疏水材料构成，通过选择不同规格的碳纸、碳布和加入不同含量的疏水材料来实现对GDBL孔隙率的调控。MPL由导电炭黑和憎水剂构成，在MEA中的功能与GDBL相似，但其更加强调微孔的功能。其孔隙率的大小与分布严重影响反应气体与液态水的传输，从而影响PEMFC的工作性能，所以对MPL内孔隙率进行合理的梯度化设计也十分必要。MPL孔隙率的梯度化可以通过加入造孔剂或者利用热膨胀石墨在不同温度下的热膨胀来实现。以上方法虽能达到对孔隙率的调整的目的，但是在制备时不能对多孔结构进行有效的控制,无法实现精确调控，因而制得的多孔结构仍存在某些性能方面的不足。目前仅能通过经验调制浆料对孔隙率等进行预测，而后经过后处理方法来进行矫正。而且以上所述制备方法得到的GDL中的孔隙杂乱无序分布，一定程度上制约了GDL的排水和通气功能。

除此之外，目前MEA要通过将浆料涂覆在疏水处理后的碳纸表面，通过高温处理进行制得MPL。MPL与GDBL不是一体化元件，在MPL与GDBL的接触面，存在较大的界面电阻。且在之前的制备过程中，MPL分布不均匀，浆料往往分布不均匀，会渗入碳纸内部，影响MPL自身孔分布，从而影响电池整体性能。针对上述解决方法的不足，并查阅相似但不相同的设计产品，本发明提出了一种全新的基于3D打印的梯度化扩散层的制备方法。

发明内容