[發(fā)明專利]一種質(zhì)子交換膜燃料電池用氣體擴散層及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110602380.6
• 申請日: 2021-05-31
• 公開（公告）號: CN113555563B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王彪;瞿同慶;黃熙怡
• 申請（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86
• 代理公司: 上海統(tǒng)攝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31303
• 代理人: 杜亞

本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池用氣體擴散層及其制備方法，方法為：將主要由纖維狀粘合劑、水、分散劑和長徑比不同的碳纖維組成的碳纖維懸浮液進行抄紙和干燥得到碳纖維原紙后，在氮氣或惰性氣體保護下對其進行碳化和石墨化處理得到質(zhì)子交換膜燃料電池用氣體擴散層；纖維狀粘合劑是由酚醛樹脂與其他樹脂組成的復(fù)合纖維或共混纖維；最終制得的質(zhì)子交換膜燃料電池用氣體擴散層具有孔梯度，且孔徑最小的一層為本征微孔層。本發(fā)明的方法減少了原紙浸潤樹脂的步驟，可實現(xiàn)碳紙與微孔層的一體化成型，減少后續(xù)微孔層的涂敷制備，工藝簡單，降低成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池用氣體擴散層及其制備方法。

背景技術(shù)

燃料電池是一種新型和環(huán)境友好型的發(fā)電裝置，可直接將存儲于燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，由于其發(fā)電無劇烈燃燒，轉(zhuǎn)化過程綠色環(huán)保，所以使用燃料電池是解決當前能源危機的有效辦法。在各種燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池因為具有高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動、無污染、體積輕巧等諸多優(yōu)點，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ碾娫粗弧Ｈ剂想姵卦诠ぷ髦袝a(chǎn)生大量的水，如果沒有辦法及時排出，則會造成催化層水淹現(xiàn)象，堵塞整個電池通道，阻礙氣體的傳輸。因此，有一個既能夠有效傳輸氣體，又能管理反應(yīng)所產(chǎn)生的水的通道就尤為重要。

氣體擴散層是燃料電池的重要組成部件之一，是由孔隙結(jié)構(gòu)較為松散的基質(zhì)層和孔隙結(jié)構(gòu)較為緊湊的微孔層構(gòu)成，不僅起著支撐催化層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)的作用，還具備為電極氣體提供氣體通道、電子通道和排水通道的多種功能。電池的效率、內(nèi)阻與其息息相關(guān)，因此改善氣體擴散層性能是發(fā)展燃料電池氣液傳輸?shù)闹匾窘?jīng)。

氣體擴散層的基質(zhì)層一般需要滿足四個條件：1)優(yōu)良的導(dǎo)電率；2)良好的透氣性；3)適當?shù)挠H水/疏水性；4)良好的機械強度。碳紙因具有均勻的多孔質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，成為目前使用最為廣泛的基質(zhì)層。碳紙常規(guī)的制備工藝主要包括制備碳纖維預(yù)制體、模壓固化、碳化和石墨化等工序。其中預(yù)制體是一般是由碳纖維與粘合劑制備而成，粘合劑主要作用是將相互搭接的碳纖維粘結(jié)起來，形成一種平面疊加結(jié)構(gòu)，不僅使預(yù)制體的結(jié)構(gòu)更加緊密，提升其力學(xué)性能，還能連通更多導(dǎo)電回路，提高導(dǎo)電性能。因此，粘合劑的殘?zhí)悸省⑴c碳纖維間的粘結(jié)強度、粘合劑和碳纖維的分布均勻性等是影響著預(yù)制體性能的重要因素。粘合劑可以是固體，如粉末和纖維，也可以是液體，但是粉末狀粘合劑通常會出現(xiàn)分布不均勻的問題，導(dǎo)致材料性能較差；液體粘合劑則通常存在附著量不可控以及污染大等問題。中國專利CN111900418A提供了一種燃料電池氣體擴散層用碳纖維紙預(yù)制體的制備方法，雖然添加少量的納米纖維素能夠顯著提高碳纖維的分散性，但是采用真空負壓抽吸工藝將粘合劑樹脂浸入碳紙依然無法解決樹脂由于自身流動性和重力作用導(dǎo)致的在碳紙內(nèi)部分布不均勻且附著量難以控制等問題，最終將導(dǎo)致碳紙整體均勻性較差。中國專利CN101047253A提供了一種以丙烯酸類纖維粘合的碳纖維紙，通過常規(guī)濕法造紙工藝制備將丙烯酸類纖維引入碳纖維疊片中，再經(jīng)過固化和碳化制備得碳纖維紙，該碳纖維紙中的粘合劑分布均勻，但是由于丙烯酸類纖維的殘?zhí)悸瘦^低，所以碳化后碳纖維之間的粘結(jié)強度較弱。因此，發(fā)明一種可控、可著并具有高殘?zhí)悸实念A(yù)制體粘合劑，并將其用于預(yù)制體的制備，不僅能夠緩解環(huán)境和能源危機，還對改善氣體擴散層的性能有重要的戰(zhàn)略意義。

氣體擴散層的微孔層主要作用是降低催化層與基質(zhì)層之間的接觸電阻，使氣體和水發(fā)生再分配，防止電極催化層“水淹”。目前主要由炭黑或石墨粉與少量粘結(jié)劑混合制成，噴涂或刷涂碳纖維多孔電極表面。中國專利CN112490454A通過轉(zhuǎn)印手段制備具有碳纖維層和微孔層組成的一體化梯度結(jié)構(gòu)的氣體擴散層，提高了微孔層和碳纖維基底間的結(jié)合能力，提高了導(dǎo)電和氣體傳輸能力，但是其工藝較為繁瑣復(fù)雜，不利于大規(guī)模生產(chǎn)制備。中國專利CN201811457447.6利用硫原子摻雜的石墨烯和氟化乙烯丙烯共聚物制備的微孔層在中等濕度和低濕度環(huán)境下表現(xiàn)了不錯的電池性能，最大功率密度較常規(guī)微孔層提高了55％，但是這種制備工藝復(fù)雜，且使用了成本極高的石墨烯。因此，發(fā)明一種具有本征微孔層的氣體擴散層，在制備的過程中實現(xiàn)碳紙與微孔層的一體化成型，不僅工藝操作簡單，而且可以降低工藝成本，以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。