[發(fā)明專利]用于燃料電池的高分子復(fù)合擴(kuò)散層、膜電極組件及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110326131.9
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN112993272B
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陶安文;張超;管俊生;戴俊;夏冬冬;王文智
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州弗爾賽能源科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 蘇州睿昊知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32277
• 代理人: 沈彬彬

本發(fā)明公開了一種用于燃料電池的高分子復(fù)合擴(kuò)散層，由碳紙基底、形成于所述碳紙基底上的炭黑微孔層，以及形成于所述炭黑微孔層上的導(dǎo)電聚合物復(fù)合微孔層組成；其中，所述炭黑微孔層是由包括炭黑、Nafion溶液在內(nèi)的組分組成的漿料噴涂于所述碳紙基底上，經(jīng)燒結(jié)后得到的；所述導(dǎo)電聚合物復(fù)合微孔層是在所述炭黑微孔層的表面原位生長導(dǎo)電聚合物層后，經(jīng)燒結(jié)后得到的。本發(fā)明還提供了所述高分子復(fù)合擴(kuò)散層的制備方法及包括所述高分子復(fù)合擴(kuò)散層的膜電極組件。本發(fā)明的用于燃料電池的高分子復(fù)合擴(kuò)散層，具有高導(dǎo)電、高透氣率、高比表面及高穩(wěn)定性的特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于燃料電池的高分子復(fù)合擴(kuò)散層、膜電極組件(MEA)及其制備方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池是可使燃料氣氫和氧中的化學(xué)能直接變換為電能的設(shè)備，而且轉(zhuǎn)化效率高，產(chǎn)物清潔，當(dāng)前已經(jīng)在眾多領(lǐng)域使用如電動汽車行業(yè)、航空航海和固定電源設(shè)備等。然而發(fā)展的過程中也存在著一系列的阻礙，生成成本過高、耐久性較低是其主要問題。影響燃料電池穩(wěn)定性的主要原因之一就是MEA載體的結(jié)構(gòu)性能。目前最普遍的載體是碳材料，為了提高催化劑的性能已將碳載體做成了如納米管、納米線、納米纖維、介孔等不同結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)電聚合物由于其突出的性能而廣受關(guān)注，近年來更是不斷的應(yīng)用于新能源領(lǐng)域。導(dǎo)電聚合物(聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等)具有高穩(wěn)定性、電子離子傳導(dǎo)能力和可逆的氧化還原性質(zhì)，可作為質(zhì)子交換膜燃料電池電極催化劑載體，以提高其穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種用于燃料電池的高分子復(fù)合擴(kuò)散層，該高分子復(fù)合擴(kuò)散層具有高導(dǎo)電、高透氣率、高比表面及高穩(wěn)定性的特性。

本發(fā)明第一方面提供了一種用于燃料電池的高分子復(fù)合擴(kuò)散層，由碳紙基底、形成于所述碳紙基底上的炭黑微孔層，以及形成于所述炭黑微孔層上的導(dǎo)電聚合物復(fù)合微孔層組成；

其中，所述炭黑微孔層是由包括炭黑、Nafion溶液在內(nèi)的組分組成的漿料噴涂于所述碳紙基底上，經(jīng)燒結(jié)后得到的；所述導(dǎo)電聚合物復(fù)合微孔層是在所述炭黑微孔層的表面原位生長導(dǎo)電聚合物層后，經(jīng)燒結(jié)后得到的。

本發(fā)明中，碳紙基底的表面燒結(jié)處理可以提高其電子傳輸能力，同時(shí)形成疏松的微孔可以有效提高燃料氣體的透過。在炭黑微孔層表面原位生長導(dǎo)電聚合物層，再通過高溫?zé)Y(jié)使導(dǎo)電聚合物層中的隆起部分坍塌，形成更加疏松多孔的球狀結(jié)構(gòu)以及更加平整的界面，不僅為氣體傳輸提供了通道，而且為后續(xù)催化劑的負(fù)載提供更多的有效接觸面積。

本發(fā)明第二方面提供了第一方面所述的一種用于燃料電池的高分子復(fù)合擴(kuò)散層的制備方法，包括以下步驟：

S1.將炭黑與Nafion溶液混合，并制成漿料，將所述漿料噴涂于碳紙基底上，烘干后在保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，從而在碳紙基底上形成炭黑微孔層；

S2.采用三電極體系，以含有吡咯單體的溶液作為電沉積溶液，以經(jīng)步驟S1處理的碳紙基底作為工作電極，通過循環(huán)伏安法在炭黑微孔層表面電沉積導(dǎo)電聚合物層；然后將沉積有導(dǎo)電聚合物層的碳紙基底清洗、烘干后，于保護(hù)氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，在炭黑微孔層表面形成導(dǎo)電聚合物復(fù)合微孔層，即得到所述用于燃料電池的高分子復(fù)合擴(kuò)散層。

進(jìn)一步地，步驟S1中，噴涂漿料后，保證碳紙基底上炭黑的載量為2～3mg/cm²。

進(jìn)一步地，步驟S1中，所述燒結(jié)的溫度為250～380℃，燒結(jié)的時(shí)間為30～60min。

進(jìn)一步地，步驟S2中，所述導(dǎo)電聚合物單體經(jīng)過蒸餾提純裝置進(jìn)行純化處理。

進(jìn)一步地，步驟S2中，所述導(dǎo)電聚合物為聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺中的一種。

進(jìn)一步地，步驟S2中，所述電沉積溶液中還添加有摻雜電解質(zhì)，所述摻雜電解質(zhì)包括草酸、氟硼酸鈉、對甲苯磺酸鈉中的一種或多種，從而有利于提高聚合物層的導(dǎo)電性。