[發(fā)明專利]一種燃料電池導(dǎo)電氣體擴散層及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811327143.8
• 申請日: 2018-11-08
• 公開（公告）號: CN111162285B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王素力;李煥巧;孫公權(quán)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/0245
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發(fā)明提供一種燃料電池導(dǎo)電氣體擴散層及其制備方法，所述擴散層包括多孔導(dǎo)電基底，還包括附著在多孔導(dǎo)電基底至少一側(cè)的導(dǎo)電多孔微孔層，所述多孔導(dǎo)電基底為碳纖維織物、碳紙或碳布；所述碳纖維織物為織造或非織造。本方法實現(xiàn)微孔層內(nèi)電子導(dǎo)電材料和憎水高分子粘結(jié)劑在微納尺度上的均勻分布，避免兩者局部團聚和物相分離，制備的氣體擴散層的微孔層微、納尺度上組成及結(jié)構(gòu)精確可控，可任意設(shè)計以滿足氣體擴散層氣液傳輸?shù)墓δ苄枨螅苊馊剂想姵胤烹娺^程中的液淹。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電化學(xué)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種氣體擴散層及其制備方法和燃料電池。

背景技術(shù)

燃料電池是一種將燃料分子的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)反應(yīng)裝置，具有能量效率高、環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點。相對其他類型燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料的陽極反應(yīng)為氫氣的氧化反應(yīng)，陰極為氧氣的還原反應(yīng)，排出產(chǎn)物為水，是一類潔凈能源，有望在車載動力、軍需裝置、移動與便攜式能源設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。

膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，主要包括固體質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴散層組成。其中多孔氣體擴散層在膜電極中主要起支撐催化層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，同時為電極反應(yīng)提供反應(yīng)物導(dǎo)入和分配通道、電子通道和產(chǎn)物排出通道等多種功能，是膜電極的核心組件之一。通常的氣體擴散層包括導(dǎo)電基底和微孔層，其中比較常用的基底材料有碳纖維紙、碳纖維布、碳纖維氈等，其主要功能是支撐，使得氣體擴散電極具有一定的機械強度和形狀；微孔層通常是通過絲印、噴涂或涂布工藝將憎水高分子粘結(jié)劑和導(dǎo)電碳顆粒的混合物涂覆在導(dǎo)電基底上而形成。燃料電池放電過程中，氣體擴散層在導(dǎo)入、分配反應(yīng)氣體(氫氣和空氣)的同時需要將生成的產(chǎn)物水及時排出電池外部，以防止生成的水蒸汽凝聚成水滴，堵塞氣體擴散層的孔道，進而影響反應(yīng)氣體向催化層及催化劑表面的供給，電極發(fā)生液淹，影響電池的放電性能和運行壽命。

為了避免電極液淹，需要開發(fā)高性能的氣體擴散層，該氣體擴散層在保持較好氣體擴散性能的同時還應(yīng)具有較好的排水性。目前通常的策略是通過導(dǎo)電基底或微孔層進行PTFE浸漬疏水處理以提高疏水性。由于支撐層的碳纖維直徑相對較大(8-10um)，相應(yīng)形成的支撐層的孔徑也較大，即使經(jīng)過PTFE憎液處理，堵塞一部分的孔結(jié)構(gòu)，但所形成的孔結(jié)構(gòu)仍然過大(2um)，水蒸氣容易在大孔內(nèi)凝聚，形成大水滴，引起液淹，影響反應(yīng)氣體的擴散。微孔層可對支撐層的大孔結(jié)構(gòu)進行部分填充整平，降低支撐層的粗糙度和孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)Young-Laplace 方程(△p＝γ/r)，憎水孔r的半徑越大，液體內(nèi)、外的表面壓力差△p越小，該孔就越容易被液體浸潤，發(fā)生液淹。基于微孔層的填充整平可有效降低氣體擴散層的孔道大小，提高液體里、外的壓力差，進而改善氣體擴散層的排水能力。但現(xiàn)有氣體擴散層的結(jié)構(gòu)及工藝由于多采用PTFE樹脂和導(dǎo)電碳粉經(jīng)機械混合制備的混合物漿液直接涂覆在支撐層表面形成，由于導(dǎo)電碳粉和高分子粘結(jié)劑如 PTFE在分子結(jié)構(gòu)、表面物理性質(zhì)、溶解度等方面的差異，上述漿液制備的微孔層中導(dǎo)電碳粉和高分子粘結(jié)劑容易各自團聚，發(fā)生分相，從而在在微孔層表面造成大量的裂紋和較大的孔結(jié)構(gòu)，表面粗糙度大，會引起液體水的不均勻凝聚聚結(jié)，引起電極液淹；同時還會造成催化劑的浪費(填埋進入微孔層裂縫中的催化劑多為無效)，而且微孔層較大的表面粗糙度同時還會誘發(fā)催化層表面的粗糙不平，在熱壓電極時損傷電解質(zhì)膜，造成膜電極的串漏。

為改善微孔層孔結(jié)構(gòu)的均勻性和其表面粗糙度，專利文獻1(日本特開2015 －79639號公報)中提出了一種氣體擴散電極的制備技術(shù)，首先通過刮刀涂布法在支撐層表面形成微孔層，然后再沖壓成型降低其表面粗糙度，但沖壓成型過程中易破壞微孔層的孔結(jié)構(gòu)，降低反應(yīng)氣體擴散性能，進而影響電池放電性能；中國發(fā)明專利CN107851805則通過構(gòu)筑雙微孔層策略來改善氣體擴散層的表面粗糙度，其中與導(dǎo)電基底層接觸的第一微孔層主要成分為導(dǎo)電碳球，而第二微孔層具有線狀結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料(線狀導(dǎo)電材料的長徑比為30-5000)。上述方案要么是通過氣體擴散層的成型工藝，要么是通過調(diào)變氣體擴散層的結(jié)構(gòu)組成，微孔層由單層變?yōu)槎鄬樱档臀⒖讓颖砻娴拇植诙龋狈νㄟ^微孔層主要成分微區(qū)組分/ 結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)方面入手強化對微孔層的宏觀孔隙結(jié)構(gòu)及粗糙度的調(diào)控，氣體擴散層的可設(shè)計性低，難以結(jié)合物料傳遞的理論模擬技術(shù)進行計算和優(yōu)化設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容