[發明專利]一種用于燃料電池的新型氣體擴散層及制備和應用

無效

• 申請號: 200910248533.0
• 申請日: 2009-12-18
• 公開（公告）號: CN102104159A
• 公開（公告）日: 2011-06-22
• 發明（設計）人: 董明全;張華民;邱艷玲;馬海鵬;鐘和香;劉波
• 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;H01M4/88;H01M4/98
• 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

1.一種用于燃料電池的高性能氣體擴散層結構，其特征在于：微觀結構上該擴散層由nm級的親水小孔和um級的憎水大孔構成擴散層的雙孔分布，這種結構的氣體擴散層同時具備高效的排水和導氣功能；宏觀上擴散層的孔隙率和孔徑在擴散層整體上呈現各向異性分布，即，在垂直于氣體擴散層平面的方向上擴散層呈現不對稱的錐型的孔分布結構，擴散層的孔隙率和孔徑由外向內逐漸減小，所述內側是指應用時擴散層上附著催化層連接質子交換膜的一側；在平行于氣體擴散層平面的方向上擴散層的孔隙率和孔徑則是均勻分布，這種分布有利于提高擴散層的傳質和導電效率。

2.如權利要求1所述的氣體擴散層結構，其特征在于：nm級的親水小孔孔徑范圍是1-200nm，由親水的納米導電微粉構成，這部分納米級微孔是導電微粉粒子內部的小孔，憎水劑由于粒徑大不能進入孔內部，所以這部分孔用來排水：um級的憎水大孔孔徑范圍是0.2um-500um，由納米導電微粉和憎水劑構成，二者混合均勻，充分接觸，在造孔劑的作用下形成特定的空間分布，去掉造孔劑，憎水劑均勻分布在um級大孔的內表面和外表面形成導氣孔。

3.一種權利要求1所述擴散層結構的制備方法，其特征在于：具體制備過程如下，

a)配制含有導電微粉和憎水劑的分散懸浮液，二者干重重量比例0.1-1∶0.1-10，加入與導電微粉重量比為0.1-1∶0.1-10的造孔劑，造孔劑的粒徑為10nm-500um，超聲攪拌均勻，制成整平料；

b)把a)配制的整平料浸漬和涂覆到擴散層支撐體上(例如碳紙，碳布，碳氈或金屬網)，形成整平層；

c)把b)制備的整平層干燥；

d)兩次或兩次以上重復a-c步驟操作，分層制備微孔層，每次整平料中造孔劑：導電微粉的重量比例逐漸減小，同時造孔劑的粒徑逐漸減小，導電微粉和憎水劑的比例維持不變，使制備的氣體擴散層的孔隙率和孔徑在整體上呈現各向異性，形成氣體擴散層的孔隙率和孔徑由內向外逐漸增大的不對稱的孔分布，所述內側是指應用時擴散層上附著催化層連接質子交換膜的一側，在平行于氣體擴散層平面的方向上則是均勻的多孔分布，從而保證氣體向催化層均勻傳遞，氣體擴散層的厚度是10-400um，平均孔隙率是10％-90％。

4.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于：所述導電微粉是指B.E.T表面積為30-2000m2/g的碳粉、石墨化碳粉及金屬微粉。

5.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于：憎水劑是指聚全氟乙烯樹酯PTFE、聚偏氟乙烯樹脂PVF2、聚全氟丙烯樹脂、聚偏氟丙烯樹脂、聚偏氟乙丙烯樹脂或低分子量含氟聚合物，憎水劑可以是上述物質的一種或幾種混合物，憎水劑可以是水性分散懸浮液，也可以是聚合物微粉，憎水劑和導電微粉重量比是1∶0.1-10。

6.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于：造孔劑是聚乙二醇，甘油，乙二醇，凡士林，己二酸，正十醇有機/高分子造孔劑，氯化銨，草酸銨，甲酸銨，乙酸銨，硝酸銨，碳酸銨，碳酸鋰，碳酸鈉，碳酸鉀無機/有機鹽中的一種或多種混合物，造孔劑的粒徑范圍是10nm-500um，造孔劑和導電微粉的重量比為1∶0.1-100。

7.一種權利要求1-7中任一項所述氣體擴散層的應用，其特征在于：該氣體擴散層作為催化層支撐體，而在其小孔側的表面制備催化劑形成氣體擴散電極(CCS法)，或者和質子交換膜上擔載催化劑(CCM法)形成的組件組裝形成氣體擴散電極組件-MEA；該電極或MEA用于燃料電池或電解池中。