一种含有氧化铈改性碳纳米纤维的燃料电池气体扩散层结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含有氧化铈改性碳纳米纤维的燃料电池气体扩散层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池。本发明专利技术技术方案设置所述气体扩散层包括气体扩散层基底层、微孔层。所述微孔层是包含有采用静电纺丝技术制备的氧化铈改性碳纳米纤维、疏水剂，导电剂制备。所述氧化铈改性碳纳米纤维在所述微孔层厚度方向上具有梯度分布。采用该气体扩散层结构制备的膜电极以及装配成的燃料电池电堆，一方面可以阻止在电堆运行过程中产生的HO

【技术实现步骤摘要】
一种含有氧化铈改性碳纳米纤维的燃料电池气体扩散层结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，更具体的说，涉及一种含有氧化铈改性碳纳米纤维的燃料电池气体扩散层结构、制备方法、膜电极组件以及燃料电池。

技术介绍

[0002]近年来，环境问题已经成为人们关注的焦点。煤、石油、天然气等化石燃料的大量使用对环境造成了严重的污染，全球温度升高、海平面上升、雾霾天气频发等环境问题严重影响着人类的生存与发展。寻找可替代能源，从而在根本上解决环境问题成为了人类未来发展的方向。
[0003]质子交换膜燃料电池是以氢气和氧气作为燃料，通过电化学反应将化学能直接转化成电能的能量转化装置。因具有能量密度高、能量转化效率高和零排放等特点，质子交换膜燃料电池又被誉为解决能源与环境问题的终极方案。
[0004]气体扩散层是质子交换膜燃料电池的核心零部件，它具有以下四种主要功能：第一、支撑起质子交换膜和催化层；第二、作为阴阳极反应气体从流场流道向催化层扩散的通道；第三、作为电子的传输通道将电子传输到极板；第四、通过毛细效应和浓差扩散等方式将产物水及时从催化层向流场流道排出，从而防止电极发生水淹现象。
[0005]通常，气体扩散层由基底层和微孔层两部分组成。碳纤维复合材料如碳纤维纸、碳纤维布等常被用来作为气体扩散层的基底层材料。为了改善基底层的亲疏水性能，提高气体扩散层的水管理能力，一般都会对基底层进行疏水处理，从而更有利于燃料电池运行过程中反应气体的扩散和产物水的排出。微孔层的制备一般是将碳黑和疏水剂按一定比例混合成均匀的浆料，再以喷涂或丝网印刷等方式，在已经疏水处理好的气体扩散层基底层材料上进行涂覆，再经高温处理即可。微孔层具有降低基底层和催化层的接触电阻、改善气体扩散层基底层孔隙结构等作用。
[0006]气体扩散层对于提高燃料电池电堆水管理能力、耐久性以及电学性能等方面有关键作用。在水管理方面，质子交换膜燃料电池运行过程中产生的水需要通过气体扩散层传输到双极板流场及时排出，防止过多的水发生水淹，影响传质能力。同时，如果排水过多，则会造成催化层和质子交换膜偏干，降低质子传输效率。在耐久性方面，质子交换膜燃料电池发生电化学过程中，受Fe
2+
、Mn
2+
等金属阳离子或过电位的影响，会产生HO
·
自由基和HOO
·
自由基,这些自由基会攻击质子交换膜和催化层中离子树脂分子末端结构上的C
‑
H键，周而复始，造成材料降解，降低质子交换膜使用寿命。在电学性能方面，气体扩散层应具备优异的导电性能，降低能量损耗，从而提高燃料电池的电学性能。
[0007]通过提高气体扩散层的性能，从而增强燃料电池的水管理能力，同时减少燃料电池运行过程中产生的自由基对质子交换膜的攻击，以及降低燃料电池运行过程中的能量损耗，是提高燃料电池性能的重要途经。

技术实现思路

[0008]本专利技术的一个目的在于，至少解决
技术介绍
中的技术问题气体扩散层。
[0009]申请人发现，通过在气体扩散层微孔层中加入氧化铈改性碳纳米纤维。申请人发现一方面，通过改变氧化铈碳纳米纤维在微孔层厚度上的含量，可以使微孔层形成更加丰富且合理的孔隙结构，从而改善气体扩散层对燃料电池的水管理能力；另一方面，碳纳米纤维上的氧化铈可以有效清除燃料电池运行过程中产生的自由基，从而有效提高燃料电池的耐久性。同时，微孔层中加入的氧化铈碳纳米纤维具有良好的导电性，这可以降低燃料电池运行过程中的能量损耗，从而提高燃料电池的电学性能。
[0010]为此，本专利技术的一些实施例提供了一种含有氧化铈改性碳纳米纤维的燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层包括：气体扩散层基底层和微孔层，其中微孔层含有氧化铈改性碳纳米纤维。
[0011]在一些实施例中，所述氧化铈改性碳纳米纤维是由六水合硝酸铈和聚丙烯腈树脂按一定比例混合形成纺丝液，并采用静电纺丝技术制备的氧化铈改性碳纳米纤维原丝，再经预氧化工序和高温碳化工序制备而成。
[0012]申请人发现与其他制备方式相比，静电纺丝技术不仅操作简单，而且可以根据需要制备出不同直径以及不同铈含量的氧化铈改性碳纳米纤维。同时采用这种制备方法可以使氧化铈纳米颗粒更加均匀地分布在碳纳米纤维上。
[0013]申请人发现氧化铈改性碳纳米纤维的直径、氧化铈碳纳米纤维在微孔层厚度方向的含量以及氧化铈在碳纳米纤维中的含量对气体扩散层的性能有重要影响。第一、若氧化铈改性碳纳米纤维直径太大，则会增加微孔层的表面粗糙度，这会增加接触电阻，同时可能会对质子交换膜造成破坏；若氧化铈改性碳纳米纤维直径太小，则不利于氧化铈在碳纳米纤维上的均匀附着，同时不具备明显的造孔效果。第二、改变氧化铈碳纳米纤维在微孔层厚度方向上的含量可以使微孔层厚度方向上具有不同的孔径分布，从而更有利于燃料电池运行过程中产物水的排出和自由基的去除。第三、若碳纳米纤维上的氧化铈含量太低，则不能及时有效地去除燃料电池运行过程中产生的自由基，造成电池性能下降；若含量太高，氧化铈的保水性会造成燃料电池在高湿或高电流密度下排水困难，从而降低电池性能。
[0014]为此，在本申请的一些实施例中，所述氧化铈改性碳纳米纤维直径为20nm～200nm。
[0015]为此，在本申请的一些实施例中，在碳纳米纤维表面均匀分布着氧化铈纳米颗粒，其中铈元素含量为0.01wt％～20wt％
[0016]为此，在本申请的一些实施例中，所述微孔层中氧化铈改性碳纳米纤维在微孔层厚度方向上的分布是以下A、B、C三种情况中的任何一种：A：在所述微孔层中，氧化铈改性碳纳米纤维含量从靠近基底层(3
‑
1)向远离基底层(3
‑
1)呈均匀分布，含量占微孔层总重量的10％～40％；B：在所述微孔层中，氧化铈改性碳纳米纤维含量从靠近基底层(3
‑
1)向远离基底层呈梯度递增分布，含量占同一梯度微孔层总重量从10％到40％；C：在所述微孔层中，氧化铈改性碳纳米纤维含量从靠近基底层向远离基底层呈梯度递减分布，含量占同一梯度微孔层总重量从40％到10％。
[0017]在本申请的一些实施例中，所述微孔层由氧化铈改性碳纳米纤维、疏水剂和导电剂组成。所述疏水剂为包括但不限于聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、氟化乙烯丙烯中的一种或几
种；所述导电剂包含但不限于碳黑、乙炔黑、科琴黑、SUPER P、碳纳米管、石墨烯、Vulcan XC 72、Black pearls中的一种或几种。
[0018]对于以上燃料电池气体扩散层结构，本申请的一些实施例提供了其制备方法，该方法包括在气体扩散层的气体扩散层基底层上制备出微孔层，使得微孔层含具有梯度分布的氧化铈改性碳纳米纤维。这样可以使微孔层形成梯度孔隙结构，从而有利于水的排出。
[0019]在一些实施例中，所述制备方法还包括：制备所述微孔层中的氧化铈改性碳纳米纤维是通过首先由六水合硝酸铈和聚丙烯腈树脂按比例混合形成纺丝液，然后采用静电纺丝技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含有氧化铈改性碳纳米纤维的燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层(3)包括：气体扩散层基底层(3
‑
1)和微孔层(3
‑
2)，其特征在于：所述微孔层(3
‑
2)含有氧化铈改性碳纳米纤维。2.根据权利要求1所述的含有氧化铈改性碳纳米纤维的燃料电池气体扩散层，其特征在于：所述氧化铈改性碳纳米纤维是由六水合硝酸铈和聚丙烯腈树脂按比例混合形成纺丝液，并采用静电纺丝技术制备的氧化铈改性碳纳米纤维原丝，再经预氧化工序和高温碳化工序制备而成，其直径为20nm～200nm。3.根据权利要求1所述的含有氧化铈改性碳纳米纤维的燃料电池气体扩散层，其特征在于：所述氧化铈改性碳纳米纤维包括在碳纳米纤维表面均匀分布的氧化铈纳米颗粒，其中铈元素含量为0.01wt％～20wt％。4.根据权利要求1所述的含有氧化铈改性碳纳米纤维的燃料电池气体扩散层，其特征在于：所述微孔层(3
‑
2)中氧化铈改性碳纳米纤维在微孔层厚度方向上的含量是以下A、B、C三种情况中的任何一种：A：在所述微孔层(3
‑
2)中，氧化铈改性碳纳米纤维含量从靠近基底层(3
‑
1)向远离基底层(3
‑
1)呈均匀分布，含量占微孔层总重量的10％～40％；B：在所述微孔层(3
‑
2)中，氧化铈改性碳纳米纤维含量从靠近基底层(3
‑
1)向远离基底层(3
‑
1)呈梯度递增分布，含量占同一梯度微孔层总重量从10％到40％；C：在所述微孔层(3
‑
2)中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晋，刘城，
申请(专利权)人：上海嘉资新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：