[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

技術領域

本發明提出一種用于燃料電池的新型氣體擴散層及制備方法。該擴散層結構微觀上由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，這種結構有利于實現氣體擴散層高效的排水和導氣功能。宏觀上氣體擴散層的孔隙率和孔徑在整體上呈現各向異性分布，這種分布更能提高擴散層的傳質和導電效率。在垂直于質子交換膜的方向上擴散層是不對稱錐型孔分布而在平行于質子交換膜的方向上則是均勻的多孔分布。本發明公開了一種使用不同種類和粒徑造孔劑分層制備微孔層從而實現孔隙率和孔徑可以精確控制的氣體擴散層制備技術。

背景技術

燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的電化學裝置，質子交換膜燃料電池是其中的一種，其通常是由質子交換膜，膜的兩面均與含催化活性組份的催化層相接，催化層的外側是由碳紙或碳布為主要成分的氣體擴散層。氣體擴散層的再外側是配備具有氣體流動通道和良好導電性的雙極板，當供給燃料和氧化劑時，具有集流性能的氣體擴散層將電流傳導到外電路。

可見燃料電池其核心反應涉及到氣液固三相電催化反應，該反應又涉及到三種物質的傳遞過程：(1)氣、液態水的傳遞。(2)反應氣體的傳遞。(3)電子的遷移。氣體擴散層的作用就是實現上述三種傳遞過程順利進行的關鍵部件，氣體擴散層的傳遞性能是影響質子交換膜燃料電池(PEMFC)性能的一個重要因素，尤其電池在低壓/常壓運行條件或高電流密度放電時，三種物質傳遞的影響顯得尤為突出。上述前兩種傳遞過程都是在一定的微孔通道中進行的，電子的遷移需要擴散層有良好導電能力，影響這三種傳遞過程的因素又相互影響、相互制約，因此對擴散層的孔隙率、孔結構，孔分布的研究是一項很重要的工作。氣體擴散層通常由三種組份構成：1)擴散層骨架支撐體如碳紙，碳布，碳氈或金屬網，2)導電微粉如碳粉/石墨粉，3)憎水劑如PTFE/PVF2等，為了實現這三種傳遞過程，需要對影響擴散層性能的各種影響因素，導電微粉如碳粉、憎水劑如PTFE/PVF2含量，擴散層支撐體如碳紙類型，擴散層的孔隙率、孔結構，孔分布的等作大量的系統的研究。

在過去的研究中，大多數燃料電池的憎水氣體擴散電極使用聚四氟乙烯樹酯(PTFE)作為憎水劑和粘合劑，這種聚合物具有高的熱穩定性和高的耐化?學降解性能。然而，PTFE不溶解于任何已知的容劑，因此必需以懸浮液形式使用，這使制造氣體擴散層的方法變得復雜和困難，更具體的說，一般制備方法中當PTFE用作氣體擴散層的粘合劑時，很難控制氣體擴散層的結構，孔隙率和孔徑大小。當然，憎水氣體擴散電極也可以使用其它的憎水劑例如聚偏氟乙烯樹酯(PVF2)，聚偏氟乙丙烯樹脂，聚偏氟氯乙烯樹酯等低分子量含氟聚合物，但是這些物質的憎水性和化學穩定性及熱穩定性均不如PTFE。

憎水型燃料電池的氣體擴散電極通常使用PTFE與碳粉或石墨粉混合均勻后涂覆到擴散層骨架支撐體如碳紙上，PTFE用作粘合劑和憎水劑。美國專利No.4,847,173描述了將PTFE及其它聚合物與碳混合來制備氣體擴散層大的方法。美國專利No.3,899,354描述了另一種制備碳和PTFE或其他聚合物的氣體擴散層方法，它是把PTFE與碳的混合物的懸浮液噴灑到復寫紙上然后加熱燒結。美國專利No.8,697,582描述了另一種制備氣體擴散電極方法，將活性碳和聚偏氟乙烯樹酯(PVF2)或其他聚合物溶于有機溶劑得到混合物，將該混合物涂覆到擴散層骨架碳紙上，低溫下把制備的擴散層放進PVF2的非溶劑中以濕轉相方式凝結形成多孔氣體擴散層，該方法步驟很多，使用毒性溶劑，不利環保，該方法很難準確控制氣體擴散層的孔結構，孔隙率和孔徑大小。

到目前為止，氣體擴散層的制備技術還沒有得到應有的重視，一般專利和文章大部分把擴散層和催化層混到一起講，很少有專門論述擴散層結構和制備工藝的。從已有的文獻可知常規的氣體擴散層制備方法是把上述的碳粉和憎水劑二種組份簡單混合涂覆到擴散層支撐體如碳紙上，也有一些研究人員在上述整平料中加入一點造孔劑，但對構成氣體擴散層的三種組份應如何空間分布，排水、導電、氣體傳輸三種功能如何實現還缺乏系統的理論分析。

發明內容

本發明首先從理論上提出一種高效的氣體擴散層結構，對擴散層的孔隙率、孔結構、孔分布構成進行了系統的論述，對由小孔和大孔構成的擴散層雙孔分布進行了功能性劃分，指明了親水小孔和憎水大孔的作用和構成條件。本發明又為實現上述擴散層結構指明了具體的制備工藝，提出通過使用不同種類和粒徑造孔劑分層制備微孔層來實現孔隙率和孔徑及孔結構可以精確控制的新型氣體擴散層制備技術。