[發(fā)明專利]一種燃料電池氣體擴(kuò)散層及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210462532.1
• 申請(qǐng)日: 2022-04-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114899417A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于力娜;朱雅男;唐柳;王晶晶;劉曉雪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 一汽解放汽車有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/88;H01M8/04119;H01M8/1018
• 代理公司: 北京遠(yuǎn)智匯知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11659
• 代理人: 徐浩

本發(fā)明提供一種燃料電池氣體擴(kuò)散層及其制備方法。所述氣體擴(kuò)散層包括相互連接的支撐層和微孔層；所述支撐層和所述微孔層的材料分別獨(dú)立地包括多孔金屬網(wǎng)；所述微孔層的內(nèi)部包含憎水涂層，所述憎水涂層貫通所述支撐層。本發(fā)明采用表面一定厚度不包含憎水涂層的微孔層，實(shí)現(xiàn)膜電極在低濕工況下的水管理和提高氣體擴(kuò)散層導(dǎo)電性的目的，同時(shí)微孔層和支撐層分別獨(dú)立地利用不同孔徑的多孔金屬網(wǎng)，構(gòu)建梯度孔徑結(jié)構(gòu)，利用毛細(xì)作用排水，避免了碳材料帶來(lái)的碳腐蝕問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，涉及一種燃料電池氣體擴(kuò)散層及其制備方法。

背景技術(shù)

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它按照原電池的工作原理，等溫地把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有高效、環(huán)境友好、噪聲低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)未來(lái)汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一。其工作原理為氫氣在陽(yáng)極分離出質(zhì)子和電子，質(zhì)子經(jīng)過(guò)質(zhì)子交換膜到陰極，而電子則通過(guò)外電路到達(dá)陰極，當(dāng)電子到達(dá)陰極時(shí)，與質(zhì)子以及通入的O₂在陰極催化劑的作用下結(jié)合而生成水，具體電極反應(yīng)為：

陽(yáng)極：H₂→2H⁺+2e^-；

陰極：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O；

總反應(yīng)式為：H₂+1/2O²→H₂O；

上述反應(yīng)是在質(zhì)子交換膜燃料電池中的膜電極發(fā)生的。膜電極由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層等組件組成。上述反應(yīng)陽(yáng)極反應(yīng)生成的質(zhì)子需要與質(zhì)子交換膜中的水結(jié)合生成水合質(zhì)子，水合質(zhì)子同質(zhì)子交換膜中的磺酸基結(jié)合，然后從一個(gè)磺酸基轉(zhuǎn)移到另一個(gè)磺酸基，完成質(zhì)子交換膜對(duì)質(zhì)子從陽(yáng)極到陰極的傳輸。

為了保證膜電極中的質(zhì)子交換膜中含有一定的水，維持質(zhì)子交換膜對(duì)質(zhì)子的高效傳輸能力，燃料電池系統(tǒng)需要設(shè)置增濕系統(tǒng)對(duì)膜電極進(jìn)行增濕，以保證質(zhì)子交換膜的良好水合狀態(tài)。額外的增濕系統(tǒng)增加了燃料電池系統(tǒng)的成本、重量、體積和復(fù)雜性，造成了燃料電池系統(tǒng)的質(zhì)量比功率和體積比功率下降，影響產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

因此出現(xiàn)了燃料電池膜電極自增濕技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在低濕工況下對(duì)膜電極的保水管理。膜電極自增濕技術(shù)是通過(guò)膜電極各組件的水管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。氣體擴(kuò)散層是膜電極組件之一，其主要功能之一為排出反應(yīng)生成的水。傳統(tǒng)氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)為整體被憎水材料包裹，水接觸到氣體擴(kuò)散層即刻被排出，未對(duì)膜電極反應(yīng)生成的水進(jìn)行良好管理。

CN1394365A公開(kāi)了一種高分子電解質(zhì)型燃料電池，氣體擴(kuò)散層具有以電解質(zhì)膜側(cè)為底面的氣體流路，構(gòu)成氣體流鹵底面的碳素纖維的親水性比構(gòu)成氣體流路頂面的碳素纖維的和構(gòu)成氣體流路的側(cè)壁的碳素纖維的親水性弱，從而起到保水的作用，但是，氣體擴(kuò)散層采用碳素纖維作為原料，碳材料的延展性弱，燃料電池電堆的體積功率密度會(huì)存在較低的問(wèn)題，并且存在氣體擴(kuò)散層的孔徑大，氣體擴(kuò)散層與催化劑和雙極板的接觸電阻較大的問(wèn)題。

CN103956505A公開(kāi)了一種具有保水性的燃料電池氣體擴(kuò)散層及其制備方法和膜電極組件及應(yīng)用。氣體擴(kuò)散層包括碳紙基底和微孔層，微孔層緊鄰碳紙基底依次設(shè)置第一疏水層，親水層和第二疏水層，第二疏水層與催化層相連，來(lái)實(shí)現(xiàn)膜電極的水管理能力，但是，催化層直接與疏水層相連，燃料電池的導(dǎo)電性會(huì)降低，同時(shí)，采用碳紙基底存在碳材料延展性差的問(wèn)題。

CN110289438A公開(kāi)了一種燃料電池用自增濕膜電極的制備方法，陽(yáng)極親水催化層中的甲殼素可以起到保水的作用，將陰極催化層中反應(yīng)產(chǎn)生的水分吸收保住，讓質(zhì)子交換膜充分濕潤(rùn)，保持其良好的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，其中，氣體擴(kuò)散層經(jīng)過(guò)憎水處理，但是催化層保水作用，氣體擴(kuò)散層憎水處理，會(huì)導(dǎo)致當(dāng)催化層水汽增多時(shí)，不易進(jìn)行催化層的排水處理，因此長(zhǎng)時(shí)間的使用對(duì)電池的性能會(huì)起到負(fù)面作用。