[發明專利]一種疏水性梯度變化的擴散層及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201710696700.2
• 申請日: 2017-08-15
• 公開（公告）號: CN107507983A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 謝義淳;鄭麗萍;林玉祥;盧友文
• 申請（專利權）人: 福建亞南電機有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 福州市博深專利事務所(普通合伙)35214
• 代理人: 林志崢

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種疏水性梯度變化的擴散層及其制備方法與應用。

背景技術

燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能的裝置。質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane fuel cell，PEMFC)是由導流極板、膜電極(在質子交換膜兩側涂布有陽陰極催化劑層的組件)以及擴散層組成。反應氣體(陽極常為氫氣、陰極為空氣或氧氣)經導流極板導流，再經氣體擴散層擴散至催化劑表面發生反應，反應產物水從膜電極表面從擴散層穿出匯入氣流排出。在燃料電池的反應過程，水管理是個重要的過程，既要保證質子交換膜含有足夠的水，以達到最佳電導率，又要求能充分排出反應生成的水，以防止膜電極表面水淹現象，反應無法進行，所以需要通過對擴散層進行一定的疏水化處理，避免水的沉積。

氣體擴散層包括多孔基材(如碳纖維紙、碳布等)和微孔層，通常通過引入疏水劑(如聚四氟乙烯，Polytetrafluoroethylene，PTFE)來提高疏水性。

傳統的擴散層制備是對擴散層多孔基材整體進行均一化的疏水處理，這種擴散層使得疏水劑大多堆積在擴散層表面，無法滲透到擴散層內部，疏水效果不佳，同時，由于疏水劑大量集聚在擴散層表面，影響了擴散層的導電性和透氣性。盡管專利文件“CN1367941A垂直于聚合物電解質燃料電池膜的氣體擴散結構”描述了一種在垂直于膜方向上具有氣體滲透梯度的氣體擴散結構，即靠近集電板部分結構的氣體滲透率低于更靠近膜的部分。專利文件CN1926712A通過多個不同疏水性的單層的覆蓋來實現良好的梯度。專利文件CN101399347A記載了一種在Z方向(垂直于擴散層的方向)上呈梯度分布具有梯度憎水化的氣體擴散層結構。這些專利都通過一定的方式使得垂直于催化層(或擴散層)方向上具有一定的疏水性梯度，有利于把反應生成的水從電極表面排出到導流通道中，防止電極表面水淹而阻礙反應的進行，但是以上專利未對在平行擴散層方向的水管理做良好的控制。而隨著水被排出到導流槽中，在氣體從進口到出口沿著PEMFC的雙極板氣體流動方向隨著反應的進行會出現水的累積，而以上專利未在平行于擴散層方向做出良好的應對措施防止水在平行擴散層方向上的積累而造成的影響。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種在平行于擴散層方向上具有疏水性梯度變化的擴散層及其制備方法與應用。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：一種疏水性梯度變化的擴散層，包括具有疏水性梯度變化的多孔基材和疏水性梯度變化的微孔層，所述多孔基材的疏水性沿平行于擴散層方向的呈梯度變化；所述微孔層的疏水性沿垂直于擴散層方向呈梯度變化。

本發明的有益效果在于：本發明的疏水性梯度變化的擴散層結構，不僅具有垂直于擴散層方向疏水性梯度變化的微孔層，還具有平行于擴散層方向上的疏水性梯度變化的多孔基材，能夠改善反應生成的水在氣體流動方向上逐步的累積，防止電極水淹現象，提升燃料電池性能。

本發明還包括上述疏水性梯度變化的擴散層的制備方法，包括以下步驟：

S10、多孔基材的預處理：將多孔基材用有機溶劑浸泡30～240min，然后進行真空干燥；

S20、多孔基材的疏水性處理：用疏水劑溶液浸漬或噴涂所述步驟S10處理好的多孔基材5～60s，將浸漬或噴涂處理后的多孔基材垂直取出，然后將多孔基材垂直放置5～60s后在300～500℃烘烤5～30min，制得具有疏水性梯度變化的多孔基材，所述多孔基材的疏水性沿平行于擴散層方向的呈梯度變化；

S30、漿液的配制：將導電顆粒與質量百分比濃度為0.5-60％的疏水劑溶液配制成不同濃度梯度的漿液；

S40、微孔層的制備：在具有疏水性梯度變化的多孔基材表面按濃度從低到高或從高到低涂覆步驟S30制備的不同疏水劑濃度導電顆粒漿液，制備具有疏水性梯度變化的微孔層結構；所述微孔層的疏水性沿垂直于擴散層方向呈梯度變化，將上述步驟處理后的產品在300～500℃下烘烤30～240min，得到具有疏水性梯度變化的擴散層。