[發明專利]一種用于質子交換膜燃料電池的氣體擴散層及其制備方法

有效

• 申請號: 200810230327.2
• 申請日: 2008-12-29
• 公開（公告）號: CN101771155A
• 公開（公告）日: 2010-07-07
• 發明（設計）人: 孫公權;高妍;王素力;田洋;朱珊
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02;H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳;周秀梅

技術領域

本發明涉及一種用于質子交換膜燃料電池的氣體擴散層及其制備方 法。上述方法制備的氣體擴散層可應用于氫氧質子交換膜燃料電池、直接 醇類燃料電池及具有氣體擴散電極結構的電池、電解池和傳感器中。

背景技術

質子交換膜燃料電池由于具有理論能量密度高、環境友好等特點，近 年來受到各國研究機構的密切關注。其核心部件膜電極(MEA)通常由氣 體擴散層、催化層和質子交換膜熱壓組成。氣體擴散層具有支撐催化層， 收集電流，傳輸反應氣體和排出產物等多項功能，是影響電池性能的核心 部件。

目前國內外用于燃料電池的氣體擴散層主要以碳紙或碳布為原料，且 使用時需要憎水處理及制備微孔層進行整平，普遍存在孔隙結構不合理， 比表面積較小且柔韌性差的缺點，嚴重影響電池的性能。此外，目前碳紙 市場幾乎全部被日本Toray公司、德國SGL公司和加拿大Ballard公司占領。 進口價格昂貴，每平方米碳紙進口價大約為300美元，如我國自行生產碳 紙，價格至少降為其1/5，經濟效益非常可觀。

中國專利01132156.3，提供了一種碳纖維紙材料的制備方法，利用1％ 的分散劑和碳纖維絲之間的重合纏繞來提高碳紙強度，但是使用時存在掉 絲現象，且內阻也較大。專利200710036451.0，采用丙烯腈基碳纖維和其 它碳素材料作為原料，聚苯胺和常規聚乙烯醇、酚醛樹脂混合作為粘結劑， 利用濕式造紙技術進行抄紙，然后1000℃以上高溫碳化，制得復合碳纖維 紙。專利01131452.4采用碳纖維素漿、二次活化處理碳纖維、碳粉和表面 活性劑制備了兩面親疏水性不同，具有定向排水輸氣功能的碳紙。但是碳 纖維需要預先進行活化處理，該活化過程容易使碳纖維絲表面受到破壞， 增加其電阻率。專利02116609.9和200410012491.8，也提供了一種碳紙制 備方法，采用碳纖維絲、分散劑和粘結劑混合打漿，濕法抄紙，然后在1500 ℃下熱處理。

國際專利US2005100498以有機高分子化合物為粘結劑制備碳纖維紙， 選擇平均直徑小于5μm，平均長度為3～10mm的碳纖維，并介紹了用此碳 纖維紙做多孔碳電極材料的制作方法。專利JP2003323897介紹了一種具有 高電導性和柔韌性的電極材料和碳紙材料，碳紙包括碳纖維和酸基團取代 水溶性苯胺導體聚合物，聚合物還帶有硫基或羧基基團。CN1417879提供 了一種燃料電池用碳纖維紙材料及其制備方法，該發明的碳纖維紙材料， 以短高碳纖維為造紙漿液原料，這些不同長短的短纖維相互重疊纏合，形 成優良的導電體系，又具有分布均勻的孔隙，保證了氣體的均勻擴散，克 服了傳統電極氣體擴散層的碳紙電阻率、孔隙率以及均勻度等方面的缺點。

綜合來看，自制碳紙普遍采用濕式抄紙技術，設備占地龐大，且存在需 要高溫碳化的問題，不僅增加了制備復雜性，對設備要求也較高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種價廉易得的氣體擴散層及其制備方法。該 氣體擴散層具有良好的導電性和傳質性能，一次成型即可使用，同時避免 了使用商品碳紙時復雜的處理過程。該法制備的氣體擴散層具有原料價廉 易得，工藝流程簡單，厚度/形狀可控等優點，適合大批量生產。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種用于質子交換膜燃料電池的氣體擴散層，所述氣體擴散層由碳納米 管、碳纖維和粘結劑組成，碳納米管重量為碳纖維重量的0.5-10倍，粘結 劑的重量百分含量為氣體擴散層總重量的5～60wt.％，其可直接用作質子 交換膜燃料電池氣體擴散層。

其按如下過程操作制備：

a)稱取碳纖維和碳納米管，碳納米管重量為碳纖維重量的0.5-10倍， 在溶劑中分散均勻；

所述碳纖維為聚丙烯腈碳纖維、粘膠基碳纖維、瀝青基碳纖維、石墨纖 維、碳納米纖維中的一種或幾種，碳纖維直徑為1-10μm，長度為1-30mm， 碳納米纖維直徑為5-50nm，長度為5-30μm；

所述碳納米管直徑為5-50nm，長度為5-30μm；

所述溶劑為水，乙醇，異丙醇或乙二醇；溶劑用量為碳納米管和碳纖維 總重量的1000～3000倍；

b)向上述混合物中加入粘結劑，粘結劑的重量百分含量為氣體擴散層 總重量的5～60wt.％，混合均勻，形成漿液；