[發明專利]燃料電池用氣體擴散層及其制備方法

有效

• 申請號: 202110991921.9
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113707892B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 趙天壽;孫靜;巫茂春
• 申請（專利權）人: 廣州市香港科大霍英東研究院
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M8/0234
• 代理公司: 廣州新諾專利商標事務所有限公司 44100
• 代理人: 李小林;沈芳

本發明提供一種燃料電池用定向有序氣體擴散層及其制備方法，涉及燃料電池技術領域。本發明的氣體擴散層包括層疊設置的支撐層和微孔層；所述支撐層包括若干定向有序排列的第一碳纖維絲，以及若干交叉分布于所述第一碳纖維絲之間的第二碳纖維絲，所述第二碳纖維絲用于連接和支撐所述第一碳纖維絲；所述第一碳纖維絲和所述第二碳纖維絲的直徑為1?20μm，相鄰兩根第一碳纖維絲之間的距離為10?30μm；所述微孔層包括若干直徑為50?500nm的第三碳纖維絲，若干所述第三碳纖維絲之間相互堆疊形成微孔，所述微孔的孔徑為0.1?1μm。本發明的氣體擴散層采用靜電紡絲法制備得到。本發明的氣體擴散層可有效提高的排水性和透氣性。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，特別是涉及一種燃料電池用氣體擴散層及其制備方法。

背景技術

燃料電池是一種新型的綠色環保的化學裝置，可將燃料所具有的化學能直接轉換成電能。燃料電池以燃料和氧氣/空氣作為原料，其中質子交換膜燃料電池以氫氣作為燃料。由于具有較高的功率密度和較低的運行溫度，質子交換膜燃料電池近年來受到了廣泛的研究和關注。膜電極是質子交換膜電池的核心部件，其一般由氣體擴散層，催化層和質子交換膜熱壓制備得到。

氣體擴散層一般由支撐層和微孔層組成，其作用包括支撐催化層，傳導電流以及熱量和氣體以及排水。微孔層的作用主要包括降低催化層和支撐層的接觸內阻，其致密的結構可以有效的阻止催化層滲透到支撐層。微孔層還可以幫助水和氣體的傳輸，防止催化層被水淹。整體而言，氣體擴散層需要具備良好的導電性、導熱性、排水性和透氣性。

常用的支撐層材料包括碳紙、碳布等導電多孔材料。傳統微孔層一般由碳粉和聚四氟乙烯材料噴涂在支撐層表面。現有的商業氣體擴散層在電堆中對氣體和水的傳輸性能仍需進一步優化。

發明內容

基于此，有必要針對上述問題，提供一種燃料電池用氣體擴散層，可有效提高氣體擴散層的排水性和透氣性，從而提高燃料電池的功率。

本發明提供的燃料電池用氣體擴散層，包括層疊設置的支撐層和微孔層；所述支撐層包括若干定向有序排列的第一碳纖維絲，以及若干交叉分布于所述第一碳纖維絲之間的第二碳纖維絲，所述第二碳纖維絲用于連接和支撐所述第一碳纖維絲；所述第一碳纖維絲和所述第二碳纖維絲的直徑為1-20μm，相鄰兩根第一碳纖維絲之間的距離為10-30μm；所述微孔層包括若干直徑為50-500nm的第三碳纖維絲，若干所述第三碳纖維絲之間相互堆疊形成微孔，所述微孔的孔徑為0.1-1μm。

上述燃料電池用氣體擴散層，可以有效提高擴散層的滲透率、提高排氣性和排水性。使用時，支撐層垂直于流道放置，可有效降低肋下液態水的聚集，緩解燃料電池水淹；微孔層采用致密的靜電紡絲碳纖維，可以降低催化層和支撐層之間的接觸電阻，相比于傳統的碳粉和憎水顆粒混合結構具有更好的傳輸性能。

在其中一個實施例中，所述第一碳纖維絲占支撐層的體積比為50-95％。

在其中一個實施例中，所述支撐層的厚度為100-300μm。

在其中一個實施例中，所述微孔層的厚度為10-50μm。

在其中一個實施例中，所述支撐層的接觸角為100-170°。支撐層的接觸角為水在支撐層上的接觸角。

在其中一個實施例中，所述微孔層的接觸角為100-170°。微孔層的接觸角為水在微孔層上的接觸角。

本發明還提供一種上述燃料電池用氣體擴散層的制備方法，包括以下步驟：

S1、將高分子聚合物配制成質量濃度為10-15wt％的紡絲液，加入憎水劑，混勻后進行靜電紡絲，得到支撐層；

S2、將高分子聚合物配制成質量濃度為5-10wt％的紡絲液，在支撐層的一側面進行靜電紡絲，得到支撐層與微孔層一體化的復合纖維絲膜；或