[發明專利]氣體擴散層及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010627363.3
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN113889627A
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 陳輝;沈志剛;李磊;趙微微
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/0234;H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 劉亭亭;劉依云

本發明涉及燃料電池技術領域，公開了一種氣體擴散層及其制備方法和應用，該氣體擴散層包括基底層和存在于基底層上的微孔層；其中，所述微孔層包括中空多孔碳纖維和憎水劑。氣體擴散層的制備方法包括：(1)將中空多孔碳纖維、憎水劑和溶劑進行混合，得到涂覆液；(2)將所述涂覆液涂覆在基底層上，然后進行干燥和燒結。本發明的氣體擴散層具有較高透氣率和較低電阻率，用于質子交換膜燃料電池中能夠有效提高電池的電化學性能。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種氣體擴散層及其制備方法和應用。

背景技術

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有高功率密度、高能量轉換率、低溫啟動、無污染、體積輕巧等特點，可用作交通工具的動力系統、可移動小型供電系統和電子設備的不間斷電源與分散型電站，也可用作軍事、醫療、娛樂場所等的應急電源等。

構成PEMFC的關鍵部件為膜電極三合一組件MEA(Membrane ElectrodeAssembly)，包括：質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層。氣體擴散層起著支撐催化劑層、穩定電極結構的作用，還為電極反應提供氣體通道、電子通道和排水通道。理想的氣體擴散層應當具有良好的水、氣傳質能力、較低的電阻和良好的機械性能。典型的氣體擴散層一般由基底層和微孔層構成。基底層一般是采用碳纖維紙、碳纖維布、碳纖維非織造布或金屬絲網等多孔基材，而微孔層一般是導電的碳粉和憎水性的聚四氟乙烯構成，而使用該種微孔層的氣體擴散層的透氣率和導電性能均不理想，在使用過程中易導致電池的電流效率下降較快。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術存在的氣體擴散層的透氣率和導電性較差的問題，提供一種氣體擴散層及其制備方法和應用，該氣體擴散層具有較高透氣率和較低電阻率的優勢。

本發明的發明人通過研究發現，氣體擴散層中的中空多孔碳纖維和憎水劑配合作為微孔層存在于基底層上能夠發揮協同作用，能夠有效的提高氣體擴散層的導電性和透氣率。

為了實現上述目的，本發明一方面提供一種氣體擴散層，該氣體擴散層包括基底層和存在于基底層上的微孔層；其中，所述微孔層包括中空多孔碳纖維和憎水劑。

優選地，所述微孔層中，中空多孔碳纖維和憎水劑的重量比為1：0.01-5，優選為1：0.5-3。

優選地，所述中空多孔碳纖維的外徑為0.5-2μm。

優選地，所述中空多孔碳纖維的內徑為0.05-0.2μm。

優選地，所述中空多孔碳纖維的孔徑為0.05-0.1μm。

優選地，所述中空多孔碳纖維的比表面積為150-250m²/g。

優選地，所述中空多孔碳纖維的孔隙率為60-80％。

本發明第二方面提供一種氣體擴散層的制備方法，該方法包括以下步驟：

(1)將中空多孔碳纖維、憎水劑和溶劑進行混合，得到涂覆液；

(2)將所述涂覆液涂覆在基底層上，然后進行干燥和燒結。

本發明第三方面提供第二方面所述的方法制備的氣體擴散層。

本發明第四方面提供第一方面或第三方面所述的氣體擴散層在質子交換膜燃料電池中的應用。

采用本發明的技術方案得到的氣體擴散層具有較高的透氣率和導電性，尤其是采用本發明優選的技術方案的氣體擴散層的透氣率可達到1.0×10⁴mL·mm/(cm²·h·mmHg)，面電阻率可達到10.0mΩ·cm。

具體實施方式