[發明專利]一種燃料電池用碳納米管氣體擴散層及其制備和應用

有效

• 申請號: 201410768095.1
• 申請日: 2014-12-11
• 公開（公告）號: CN105742666B
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 侯明;陳國芬;謝志勇;邵志剛;肖宇;湯賢
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/0234
• 分類號: H01M8/0234
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明公開了一種新型燃料電池用碳納米管氣體擴散層及其制備方法和應用，該擴散層由碳納米管在大孔炭基支撐層上原位生長制得，碳納米管厚度為1?50μm；碳納米管集中生長在大孔炭基支撐層靠近催化層的一側，由于碳納米管具有強疏水性，因此碳納米管集中生長的氣體擴散層內側具有疏水性，無憎水粘結劑添加的情況下接觸角為130°～150°，這種氣體擴散層在內側不需要額外添加疏水劑，能夠同時具備良好的疏水、導電和傳質能力，能夠提高燃料電池高電流密度下的輸出性能。

技術領域

本發明屬于燃料電池領域，具體涉及一種燃料電池用碳納米纖維氣體擴散層及其制備和應用。

背景技術

質子交換膜燃料電池是一種新型能量轉換裝置，能夠無污染地將化學能轉化為電能，并且具有功率密度高、工作溫度低、啟動快、壽命長等優點，受到研究者廣泛關注。質子交換膜燃料電池的核心部件是呈三明治結構的膜電極，由中心至兩側依次為質子交換膜，陰、陽極催化層，以及催化層外側的陰、陽極氣體擴散層。

氣體擴散層在燃料電池中起到重要作用，主要包括：實現電子在催化層與雙極板之間的傳導、將反應物穩定而高效地傳輸到催化層、保持質子交換膜潤濕的同時防止催化層水淹實現電池水管理。因此氣體擴散層需要有良好的電子傳導能力、優異的透氣性和合理的疏水性。

對質子交換膜燃料電池而言，高電流密度下，電化學反應與電滲作用加劇，水在陰極側聚集造成電池水淹，反應氣體無法順利到達催化劑表面進行電化學反應，電池性能急劇下降。在以往的研究中，研究者研究了各種制備氣體擴散層的材料和方法，以提高電池性能。中國專利102104159說明了一種含造孔劑的氣體擴散層制備方法。它是把造孔劑、導電微粉、憎水劑混合配制得到MPL漿料，采用反復浸漬和涂覆的方法將MPL漿料擔載到炭紙上，每次浸漬和涂覆時，都使用不同配比的漿料。都是將粘接劑與導電顆粒混合，再涂覆到大孔炭基底上。中國專利103828105在MPL漿料中加入碳納米管，制備出導電性能與氣體透過性優異的氣體擴散層。但是這些制備方法都需要使用憎水劑，提高導電粉末的疏水性，以及將導電粉末相互粘結起來，常用憎水劑有聚四氟乙烯PTFE、偏聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯，而聚四氟乙烯PTFE不溶于任何已知溶劑且不具有導電性，并且其他粘接劑的化學穩定性和憎水性差，這使制備擴散層的方法變得復雜和困難。更重要的是，使用導電粉末制備而成的氣體擴散層，孔隙率和平均孔徑小，不利于反應氣體和水蒸氣的傳輸。

發明內容

本發明目的在于提供一種碳納米管直接在大孔炭基底上原位生長的高性能氣體擴散層及其制備和應用。用該方法制備的氣體擴散層在氣體擴散層內側無需額外添加憎水劑，具有自疏水性、良好的傳質和導電能力,能夠改善質子交換膜燃料電池在高電流密度下的水淹問題。

為了達到這個目的，本發明采用的技術方案如下：

本發明公開一種燃料電池用碳納米管氣體擴散層，

所述碳納米管氣體擴散層由大孔炭基支撐層和微孔層疊合構成；

其中，微孔層為碳納米管，碳納米管厚度為1-50μm；

碳納米管集中生長在氣體擴散層內側，氣體擴散層的內側為靠近催化層的一側。

氣體擴散層中碳納米管一側與水的接觸角為130°～150°；

接觸角為碳納米管層整體與水的接觸角，即擴散層內側平面與水的接觸角。

所述接觸角是將3-4μL去離子水滴加在氣體擴散層內側，通過測定液-固界面與氣-液界面切線形成的相對夾角而得。

所述大孔炭基支撐層為炭布、碳紙或炭氈。

將碳納米管氣體擴散層置于溫度為60-65℃，氣體流量為100-150mL/min時，氣體擴散層的水蒸氣透過率為600-1200g h-1m2。