气体扩散层及其制备方法和燃料电池技术

本发明专利技术公开了一种气体扩散层及其制备方法和燃料电池，该气体扩散层，包括基底和设置于所述基底至少一侧面的导电微孔层，所述基底为多孔石墨纸。本发明专利技术的气体扩散层采用多孔石墨纸为基底，多孔石墨纸基底上的孔构成水气传输纵向快速通道，微孔层提供纵向和横向传输路径，以便使水气传输覆盖整个活性面积，另外，本发明专利技术的气体扩散层具有原料易得，加工工艺简单，成本低的优势，而且具有良好的柔韧性、较强的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
气体扩散层及其制备方法和燃料电池
本专利技术涉及电池
，具体而言，涉及一种气体扩散层及其制备方法和燃料电池。
技术介绍
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，利用氢气、天然气、甲醇等燃料与纯氧或空气作为原料分别在电池的阴极和阳极发生氧化还原反应，从而连续产生直流电。燃料电池可分为六大类：磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、直接甲醇燃料电池(DAFC)、碱性燃料电池(AFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。其中质子交换膜燃料电池以其无噪音、零污染、无腐蚀、功率密度高、转换效率高、低温启动、体积小等诸多优点，被认为是最有希望成为航天、军事、电动车和区域性电站的首选电源。质子交换膜燃料电池关键材料包括高分子电解质膜、催化层、气体扩散层及双极板。其中多孔气体扩散层材料在电极中起支撑催化剂层和稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道等多种功能，在质子交换膜燃料电池中起着关键性作用。气体扩散层组成包括基底与微孔层。目前，国内外燃料电池用的气体扩散层基底包括碳纤维纸、碳纤维布、碳纤维毡等。将基底进行疏水、整平等预处理后，在其表面制备微孔层。目前比较常用的基底材料是碳纤维纸，然而，碳纤维纸是脆性材料，在装配压力、外界振动和反复拆装等情况下容易导致纤维断裂、基体开裂、纤维与基体界面剥落等失效形式，影响电池寿命。同时因为碳纤维纸的研制水平较高并能批量供货的主要是加拿大巴拉德公司、德国SGL技术公司和日本东丽公司等少数几家外国公司，价格昂贵并且受制于人。为克服碳纸为基材带来的成本高，易断裂等问题。一些新型的非碳纸基材被应用到气体扩散层的制备中。CN103401003B提出一种以多孔金属网为基材的气体扩散层制备方法。将多孔金属网进行表面处理，采用丝网印刷/刮涂方式将制备的炭材料浆料涂覆在碳纤维织物上，烘干烧结制得微孔层；将烧结的微孔层与一层或多层处理后的多孔金属丝网叠合后，进行压制，制备出以金属丝网为基底的气体扩散层。这一方法制备的气体扩散层强度高，导电好，但是由于金属在燃料电池酸性条件下容易被腐蚀，并且多孔金属网成本较高，并没有得到大规模的应用。CN102203995A公开了一种燃料电池用气体扩散层，其没有碳纤维等材料作为基材，而仅由导电性粒子和高分子树脂构成的自支撑体结构。其方法包括将作为导电性粒子的碳材料、表面活性剂、高分子树脂材料和分散溶剂投入搅拌/混练机，通过混练将碳材料粉碎及造粒。将混练得到的混练物用辊压机或平板压制机等压延而以片状成形(压延工序)。将以片状成形的混练物烧成，从而除去表面活性剂和分散溶剂(烧成工序)。将除去了表面活性剂和分散溶剂的混练物再次压延调整厚度(再压延工序)，实现燃料电池的发电性能的提高。但是这一工艺复杂，步骤较多，工业化较难，且产品电导率较低。因此，传统气体扩散层存在强度低、脆性大、操作过程中易碎、横向热导性不足、加工成本高，工艺复杂等缺点，而且孔隙结构制备的可控性、一致性以及可设计性较低，难以结合物料传输的理论模拟计算和优化设计。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供的一种气体扩散层及其制备方法和燃料电池，更好的克服了上述现有技术存在的问题和缺陷，该气体扩散层采用多孔石墨纸为基底，多孔石墨纸基底上的孔构成水气传输纵向快速通道，微孔层提供纵向和横向传输路径，以便使水气传输覆盖整个活性面积，且多孔石墨纸基底的横向导热能力优于传统纤维基的气体扩散层，有利于电池运行时面内不同区域的温度均匀性；另外，本专利技术的气体扩散层具有原料易得，加工工艺简单，成本低的优势，而且具有良好的柔韧性、较强的力学性能，结构精细、孔径及孔间距尺度精确可控，可以任意设计以满足气体扩散层复杂的水气输运要求。一种气体扩散层，包括基底，还包括设置于所述基底至少一侧面的导电微孔层，所述基底为多孔石墨纸。进一步地，所述基底的厚度为100～300μm，所述基底的孔径为80～500μm，所述基底的孔间距为80～160μm。进一步地，所述基底位于设置有所述导电微孔层的一侧的边缘设置有厚度为10～100μm增强薄膜外框，所述增强外框采用聚四氟乙烯或聚酰亚胺材质。进一步地，所述增强薄膜外框的厚度与位于所述基底同一侧的所述导电微孔层的厚度相同。本专利技术还提供了一种气体扩散层的制备方法，所述气体扩散层为上述的气体扩散层，所述制备方法包括以下步骤：将导电涂料涂覆于基底的至少一侧面，采用烧结处理形成导电微孔层，并使所述基底与所述导电微孔层结合为一体；以所述导电涂料中固体物质的总重量为100％计，所述导电涂料包含以下重量百分比的原料：导电粒子50～80wt％、粘接剂10～30wt％、表面活性剂1～5wt％、碳纤维0～10wt％、造孔剂1～5wt％、增稠剂0～10wt％；还包括分散剂，所述分散剂的加入量使得所述导电涂料的固含量为20～70wt％。进一步地，所述导电粒子为乙炔黑、鳞片石墨、柔性石墨、碳纳米管、导电碳纤维中的一种或几种；所述表面活性剂为非离子表面活性剂和两性离子表面活性剂中的一种或几种；所述粘接剂为木质素、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、四氟乙烯-乙烯共聚物、聚苯胺中的一种或几种；所述造孔剂为碳酸氢铵、淀粉、草酸铵、碳酸铵、乙酸铵中的一种或几种；所述增稠剂为羧甲基纤维素和/或聚乙二醇；所述碳纤维为气相生长法碳纤维、短切纤维、磨碎纤维中的一种或几种；所述分散剂为水、一元醇、二元醇中的一种或几种。进一步地，所述烧结处理的温度为100～400℃；且所述烧结处理在氮气或氩气气氛下进行。本专利技术还提供了一种燃料电池，包括膜电极和依次对称地设置于所述膜电极两侧的气体扩散层和极板；所述气体扩散层为上述的气体扩散层。进一步地，所述气体扩散层与所述极板之间设置有硬化涂层，所述硬化涂层包括碳纤维材质。进一步地，所述气体扩散层与所述膜电极之间设置有微孔涂层，所述微孔涂层采用碳纤维和/或石墨粉材质。与现有技术相比，本专利技术的气体扩散层及其制备方法和燃料电池的有益效果是：本专利技术的气体扩散层采用多孔石墨纸为基底，多孔石墨纸基底上的孔构成水气传输纵向快速通道，微孔层提供纵向和横向传输路径，以便使水气传输覆盖整个活性面积，且多孔石墨纸基底的横向导热能力优于传统纤维基的气体扩散层，有利于电池运行时面内不同区域的温度均匀性；另外，本专利技术的气体扩散层具有原料易得，加工工艺简单，成本低的优势，而且具有良好的柔韧性、较强的力学性能，结构精细、孔径及孔间距尺度精确可控，可以任意设计以满足气体扩散层复杂的水气输运要求。综上所述，本专利技术特殊的结构，其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的方法公开发表或使用而确属创新，产生了好用且实用的效果，较现有的技术具有增进的多项功效，从而较为适于实用，并具有广泛的产业价值。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对本专利技术保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。图1是本专利技术一个实施例的包括单面设置导电微孔层的气体扩散层的燃料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体扩散层，包括基底，其特征在于，还包括设置于所述基底至少一侧面的导电微孔层，所述基底为多孔石墨纸。

【技术特征摘要】
1.一种气体扩散层，包括基底，其特征在于，还包括设置于所述基底至少一侧面的导电微孔层，所述基底为多孔石墨纸。2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述基底的厚度为100～300μm，所述基底的孔径为80～500μm，所述基底的孔间距为80～160μm。3.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述基底位于设置有所述导电微孔层的一侧的边缘设置有厚度为10～100μm增强薄膜外框，所述增强外框采用聚四氟乙烯或聚酰亚胺材质。4.根据权利要求3所述的气体扩散层，其特征在于，所述增强薄膜外框的厚度与位于所述基底同一侧的所述导电微孔层的厚度相同。5.一种气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述气体扩散层为如权利要求1～4中任一项所述的气体扩散层，所述制备方法包括以下步骤：将导电涂料涂覆于基底的至少一侧面，采用烧结处理形成导电微孔层，并使所述基底与所述导电微孔层结合为一体；以所述导电涂料中固体物质的总重量为100％计，所述导电涂料包含以下重量百分比的原料：导电粒子50～80wt％、粘接剂10～30wt％、表面活性剂1～5wt％、碳纤维0～10wt％、造孔剂1～5wt％、增稠剂0～10wt％；还包括分散剂，所述分散剂的加入量使得所述导电涂料的固含量...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶有堃，黄鹏辉，谢小军，蒋晓强，李佳佳，王海江，李辉，
申请(专利权)人：深圳市南科燃料电池有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44