一种气体扩散层前驱体及其制备方法以及气体扩散层和燃料电池技术

本发明专利技术提供了一种气体扩散层前驱体，包括：多孔结构层以及多个气体传输导向单元，所述气体传输导向单元为设置于所述多孔结构层表面的弯曲的壳体结构，所述气体传输导向单元的内侧顶面由所述气体传输导向单元的第一端至第二端方向上逐渐靠近所述多孔结构层表面，且所述第一端与开设有气体入口，所述第二端开设有气体出口，所述单元的外部顶面设有用于接触隔板或双极板的接触平面，多个所述气体传输导向单元的所述气体入口的朝向相同，且所述气体入口至所述气体出口的方向与气流方向一致。

A precursor of gas diffusion layer and its preparation method as well as gas diffusion layer and fuel cell

【技术实现步骤摘要】
一种气体扩散层前驱体及其制备方法以及气体扩散层和燃料电池
本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种气体扩散层前驱体及其制备方法以及气体扩散层和燃料电池。
技术介绍
质子交换膜燃料电池是发展最成熟，最接近于商业应用的燃料电池。它的基本构件包括：双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜。双极板的作用是在电池堆中隔离每个单电池，并通过其上的通道向气体扩散层输送燃料和氧气，与此同时，还要具有较高的导电性能，从而能够向外界导出电流。气体扩散层、催化层和质子交换膜构成了膜电极结构。气体扩散层位于催化层和双极板之间，是质子交换膜燃料电池中的关键材料之一，是膜电极最外层，为电极和双极板提供接触，将反应物输送到催化层，并让反应生成的水离开电极表面，允许水在电极和流道间通过，其承担着电流传导，质子交换膜的机械支撑，催化剂附着的多孔介质，反应物传输的通道，产物移除这五个方面的功能。基于上述要求，目前成熟应用于燃料电池上的气体扩散层材料为碳材料。碳材料兼顾较高的导电性和较强的抗电腐蚀性能，且成本较低，这是其他材料所不具备的特点。气体扩散层通常由基底层和微孔层组成。基底材料层通常选用多孔的碳纸或碳布，其厚度约为150～400微米。这种基底材料的空隙率通常高于60％，如AvCarb生产的多种型号碳纸，其基底材料孔隙率都大于75％，在覆盖微孔层以后，气体扩散层采用压汞法测得的空隙率也能达到50％以上。但是，燃料电池电堆在装配过程中，为了保证电堆的外部密封和避免内部反应气体窜漏，同时能够减小双极板与气体扩散层，以及气体扩散层与催化层间的接触电阻，会对电堆两端的端板施加组装压力，而具有多孔结构和相对较小压缩模量的气体扩散层会首先被压缩，通常设计的变形量在10％～30％。而这种压缩会造成气体扩散层最初的孔结构被压缩、变形，甚至坍塌，同时气体扩散层孔的曲折系数也会增加。由此会造成反应气体扩散到催化层表面的路径延长，难度增大，同时催化层表面产生的水也不易排出，电堆流场发生水淹现象，导致燃料电池电堆发生严重的传质极化现象，直接影响了燃料电池电堆的性能。目前主要应用的气体扩散层材料包括碳纸、碳纤维编织布、无纺布和碳黑纸等。专利CN1331261C提供一种燃料电池用气体扩散层材料及制备方法，其特点是该材料由碳纤维毡、碳黑及粘结剂复合而成，其中碳纤维毡为基体，碳黑为填充相。气体扩散层材料的制备工艺为：先将碳黑用硝酸或盐酸浸泡，然后干燥，干燥后的碳黑与粘结剂溶液共混制备成混合液，再将碳纤维毡与混合液浸渍处理，平整处理及高温热处理，制成燃料电池气体扩散层材料。该方法虽然降低了生产成本，但是并没有解决气体扩散层在压缩后传质能力下降的问题。专利CN101171713A提供一种气体扩散层，该气体扩散层包括至少两个相互作用连接的功能区域，其中第一功能区域具有多孔结构，而第二功能区域设计成稳定区。这种气体扩散层实现提供一种可以优化燃料电池效率系统。但是该专利第一区域较第二区域有更高的可压缩性，第一区域也是气体扩散的通道，该区域的大幅度压缩同样没有解决气体扩散层在压缩后传质能力下降的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种气体扩散层及其制备方法以及一种燃料电池，本专利技术提供的气体扩散层将气体扩散层设计成立体结构，该立体结构包括多孔结构层以及多个气体传输导向单元，可以产生垂直于扩散层气体流动的强制对流，提高反应气体传质动能和排除电化学反应产生的水，防止气体扩散层多孔通道水堵。本专利技术提供了一种气体扩散层前驱体，包括：多孔结构层以及多个气体传输导向单元，所述气体传输导向单元为设置于所述多孔结构层表面的弯曲的壳体结构，所述气体传输导向单元的内侧顶面由所述气体传输导向单元的第一端至第二端方向上逐渐靠近所述多孔结构层表面，且所述第一端开设有气体入口，所述第二端开设有气体出口，所述气体传输导向单元的外部顶面设有用于接触隔板或双极板的接触平面，多个所述气体传输导向单元的所述气体入口的朝向相同，且所述气体入口至所述气体出口的方向与气流方向一致。优选的，所述多孔结构层的厚度为1～799μm，所述气体传输导向单元的高度为1～799μm，所述气体扩散层前驱体的厚度为100～800μm；所述多孔结构层的材料的弹性模量与所述气体传输导向单元的材料的弹性模量之比为1：(1～100)。优选的，所述气体传输导向单元的内侧顶面包括倾斜的平面，所述倾斜的平面由所述第一端至第二端的延长面与所述多孔结构层的夹角为1°～89°，优选30°～60°；或者，所述气体传输导向单元的内侧顶面包括拱形顶面。所述拱形顶面的切面与所述多孔结构层的夹角为1°～89°，优选30°～60°；或者，所述气体传输导向单元的内侧顶面为阶梯形顶面。优选的，所述气体扩散层前驱体中多孔结构层的孔隙率≥70％。优选的，所述气体扩散层前驱体的材料为包括碳纤维的无纺布。本专利技术还提供了一种上述气体扩散层前驱体的制备方法，包括以下步骤：将碳纤维与粘合剂混合后进行抄造，再置于具有气体扩散层前驱体结构的模具中进行模压、碳化和石墨化，得到气体扩散层前驱体；或者，在模具中制备出具有气体传输导向单元的结构，再将碳纤维与粘合剂混合后进行抄造，碳化和石墨化，得到气体扩散层多孔结构层，然后将两部分粘结，得到气体扩散层前躯体。或者，将碳纤维与粘合剂混合后进行抄造，再置于具有气体传输导向单元结构的模具中进行模压得到具有气体传输导向单元结构的碳纤维原纸；将碳纤维与粘合剂混合后进行抄造，置于所述具有气体传输导向单元结构部分的碳纤维原纸上部，复合进行模压，得到气体扩散层前驱体原纸；将所述气体扩散层前驱体原纸进行碳化和石墨化，得到气体扩散层前驱体。优选的，所述碳纤维选自聚丙烯腈基碳纤维、纤维基碳纤维和沥青基碳纤维中的一种或多种，所述碳纤维的直径为1～25μm，所述碳纤维的长度为1～20mm。优选的，所述粘合剂选自酚醛树脂、聚乙烯醇或聚四氟乙烯；所述碳纤维与粘合剂的质量比为(0.2～1):(1～20)；所述模压的温度为155～160℃，所述模压的时间为6～8min；所述碳化的程序为：在保护气氛条件下，以5～15℃/min的升温速率升温至750～850℃，保持20～60min；所述石墨化的程序为：在真空度小于10Pa的条件下，以10～25℃/min的升温速率升温至2300～2900℃，同时充入氩气至0.9MPa，并保持温度60～120分钟。本专利技术还提供了一种气体扩散层，由上述气体扩散层前驱体经过疏水化处理以及涂覆微孔层得到。本专利技术还提供了一种燃料电池，包括隔板或极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜，所述气体扩散层为上述气体扩散层。与现有技术相比，本专利技术提供了一种气体扩散层前驱体，其特征在于，包括：多孔结构层以及多个气体传输导向单元，所述气体传输导向单元为设置于所述多孔结构层表面的弯曲的壳体结构，所述气体传输导向单元的内侧顶面由所述气体传输导向单元的第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体扩散层前驱体，其特征在于，包括：多孔结构层以及多个气体传输导向单元，所述气体传输导向单元为设置于所述多孔结构层表面的弯曲的壳体结构，所述气体传输导向单元的内侧顶面由所述气体传输导向单元的第一端至第二端方向上逐渐靠近所述多孔结构层表面，且所述第一端开设有气体入口，所述第二端开设有气体出口，所述气体传输导向单元的外部顶面设有用于接触隔板或双极板的接触平面，多个所述气体传输导向单元的所述气体入口的朝向相同，且所述气体入口至所述气体出口的方向与气流方向一致。/n

【技术特征摘要】
1.一种气体扩散层前驱体，其特征在于，包括：多孔结构层以及多个气体传输导向单元，所述气体传输导向单元为设置于所述多孔结构层表面的弯曲的壳体结构，所述气体传输导向单元的内侧顶面由所述气体传输导向单元的第一端至第二端方向上逐渐靠近所述多孔结构层表面，且所述第一端开设有气体入口，所述第二端开设有气体出口，所述气体传输导向单元的外部顶面设有用于接触隔板或双极板的接触平面，多个所述气体传输导向单元的所述气体入口的朝向相同，且所述气体入口至所述气体出口的方向与气流方向一致。


2.根据权利要求1所述的气体扩散层前驱体，其特征在于，所述多孔结构层的厚度为1～799μm，所述气体传输导向单元的高度为1～799μm，所述气体扩散层前驱体的厚度为100～800μm；
所述多孔结构层的材料的弹性模量与所述气体传输导向单元的材料的弹性模量之比为1：(1～100)。


3.根据权利要求1所述的气体扩散层前驱体，其特征在于，所述气体传输导向单元的内侧顶面包括倾斜的平面，所述倾斜的平面由所述第一端至第二端的延长面与所述多孔结构层的夹角为1°～89°，优选30°～60°；
或者，所述气体传输导向单元的内侧顶面包括拱形顶面，所述拱形顶面的切面与所述多孔结构层的夹角为1°～89°，优选30°～60°；
或者，所述气体传输导向单元的内侧顶面为阶梯形顶面。


4.根据权利要求1所述的气体扩散层前驱体，其特征在于，所述气体扩散层前驱体中多孔结构层的孔隙率≥70％。


5.根据权利要求1所述的气体扩散层前驱体，其特征在于，所述气体扩散层前驱体的材料为包括碳纤维的无纺布。


6.一种如权利要求1～5任意一项所述的气体扩散层前驱体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将碳纤维与粘合剂混合后进行抄造，再置于具有气体扩散层前驱体结构的模具...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晋，陈雪松，方亮，唐厚闻，周红茹，刘行，胡科峰，
申请(专利权)人：上海汽车集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31