气体扩散层及其制备方法、及膜电极组件和燃料电池技术

本发明专利技术涉及一种气体扩散层及其制备方法、及膜电极组件和燃料电池，其中气体扩散层包括金属网基底，金属网基底上设有复合镀层，金属网基底的网孔内沿轴向不同高度处依次为第一金属层、第一疏水层、第二疏水层和第二金属层；复合镀层中包括金属和第一疏水剂，复合镀层的粗糙度为5μm～8μm；第一金属层和第二金属层在金属网基底的网孔内沿轴向的高度分别独立地为0.2μm～2μm。上述气体扩散层电阻率较低、功率密度较高，且机械耐久性较好。且机械耐久性较好。且机械耐久性较好。

【技术实现步骤摘要】
气体扩散层及其制备方法、及膜电极组件和燃料电池


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，特别涉及一种气体扩散层及其制备方法、及膜电极组件和燃料电池。

技术介绍

[0002]燃料电池具有高能量密度、高能量转化率、环保的特点而受到广泛应用，其中质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动速度快和能量转化效率高等优点，在新能源汽车中具有广泛的应用前景。质子交换膜燃料电池主要由膜电极和双极板组成的，膜电极是燃料电池的核心部件，包括依次层叠的质子交换膜、催化层、边框和气体扩散层。
[0003]为了提高燃料电池电堆的功率密度，双极板逐渐从石墨双极板向金属双极板方向发展。金属双极板电堆较石墨双极板电堆比较，具有更大的装堆压力，气体扩散层作为质子交换膜燃料电池膜电极的一个支撑部件，需要承受更大的压力。传统的气体扩散层是在碳基底上直接涂覆含有碳材料和疏水材料的涂层，在较大压力下气体扩散层的内部结构会发生破坏，设置在基底表面的疏水性薄膜发生开裂、脱落；或者碳材料发生破裂、断裂，而碳材料的破裂、断裂也会导致疏水层脱落；且在燃料电池体系中，反应气体在流道内的速度较快，气体和水在气体扩散层表面发生摩擦，摩擦也会导致气体扩散层表面的疏水层薄膜出现开裂、脱落的现象。疏水性薄膜的损坏会降低气体扩散层内部孔的疏水性，导致气体扩散层局部发生液态水聚集，阻碍电池的水气传输，增加电池的扩散极化损失，从而影响燃料电池的性能。
[0004]因此，提供一种机械耐久性较高的气体扩散层具有重要意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种机械耐久性较好的气体扩散层及其制备方法、及膜电极组件和燃料电池。具体如下：
[0006]一种气体扩散层，包括金属网基底，所述金属网基底上设有复合镀层，所述金属网基底的网孔内沿轴向不同高度处依次为第一金属层、第一疏水层、第二疏水层和第二金属层；
[0007]其中，所述复合镀层中包括金属和第一疏水剂，所述复合镀层的粗糙度为5μm～8μm；所述第一金属层和所述第二金属层在所述金属网基底的网孔内沿轴向的高度分别独立地为0.2μm～2μm。
[0008]本专利技术提供的气体扩散层，在金属网基底上设有包含特定物质的复合镀层，复合镀层中的金属与金属网基底紧密结合；通过控制复合镀层的粗糙度，可有效提高金属网基底的网孔内沿轴向不同高度处设置的第一疏水层和第二疏水层与复合镀层之间的结合力；且设有包含特定物质的复合镀层金属网基底与第一疏水层及第二疏水层结合成一个有机整体，有效提高设有包含特定物质的复合镀层金属网基底与第一疏水层及第二疏水层的结合力，从而有效提高气体扩散层的抗压和抗冲刷等机械耐久性。同时，当参与质子传输反应
生成的水在接触到第二金属层时，水在第二金属层被进行保水管理；当参与质子传输反应生成的水的体积增多时，水溢流到第二疏水层处，此时进行排水管理，从而实现气体扩散层的水管理，有效防止电池的水气传输受到阻碍，从而有效保持燃料电池的性能。功率密度为1190～1430W/cm2@0.6V，机械抗气体冲刷衰减测试后，气体扩散层的质量变化率仅为0.01～0.24％，功率密度变化率仅为0.3～4.6％。
[0009]此外，金属网基底部分区域未设置疏水涂层，有效防止疏水材料对导电性的影响。
[0010]上述气体扩散层不含碳材料，有效避免膜电极工作电压设计逐渐升高而引起的碳腐蚀问题，在频繁启停等工况导致的高电压条件下，具有较好的稳定性。
[0011]在其中一些实施例中，气体扩散层中，所述第一疏水层的孔径为0.1μm～50μm，所述第二疏水层的孔径为5nm～500nm。
[0012]在其中一些实施例中，气体扩散层中，所述第一金属层的孔径和所述第二金属层的孔径分别独立地为0.5μm～100μm。
[0013]在其中一些实施例中，气体扩散层中，所述第一疏水层包括第二疏水剂，所述第二疏水层包括第三疏水剂；所述第一疏水剂包含所述第二疏水剂和所述第三疏水剂。
[0014]在其中一些实施例中，气体扩散层中，所述复合镀层的厚度为5μm～10μm。
[0015]在其中一些实施例中，气体扩散层中，所述第一疏水层与所述第二疏水层在所述金属网基底的网孔内沿轴向的高度之比为(2～5):1。
[0016]在其中一些实施例中，气体扩散层中，所述第一疏水层的高度为50μm～400μm，所述第二疏水层的高度为10μm～100μm。
[0017]在其中一些实施例中，气体扩散层中，所述金属网基底的材质选自镍、铁、银、钛、金、铂和钯中的至少一种。
[0018]在其中一些实施例中，气体扩散层中，所述金属网基底的网状结构选自烧结毡、冲孔网、编织网、拉伸网、激光打孔网、线切割网、粉末冶金网、铸造网、注塑网或泡沫网中的一种。
[0019]在其中一些实施例中，气体扩散层中，所述金属选自钛、铬、钼和镍中的至少一种。
[0020]在其中一些实施例中，气体扩散层中，所述第一疏水剂选自聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯、四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物、四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚的共聚物中的至少一种。
[0021]本专利技术还提供了一种气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
[0022]提供具有复合镀层的金属网基底，所述复合电镀液包括金属和第一疏水剂，所述复合镀层的粗糙度为5μm～8μm；
[0023]在所述具有复合镀层的金属网基底的一侧涂覆第一疏水浆料，烧结后，在所述金属网基底背离涂覆有所述第一疏水浆料的另一侧涂覆第二疏水浆料，烧结，得到气体扩散层前驱体；
[0024]将所述气体扩散层前驱体进行表面处理，得到所述气体扩散层；所述气体扩散层中的金属网基底的网孔内沿轴向不同高度处依次为第一金属层、第一疏水层、第二疏水层和第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层在所述金属网基底的网孔内沿轴向的高度分别独立地为0.2μm～2μm。
[0025]在其中一些实施例中，气体扩散层的制备方法中，按质量份数计，所述第一疏水浆
料包括如下组分：
[0026][0027]所述第二疏水浆料包括如下组分：
[0028][0029][0030]本专利技术提供了一种膜电极组件，包括依次层叠的质子交换膜、催化层、边框和上述的气体扩散层。
[0031]本专利技术提供了一种燃料电池，包括阳极板、阴极板和上述的膜电极组件，所述阳极板和所述阴极板设于所述膜电极组件的两侧。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]图1为一实施方式提供的气体扩散层的正视图；
[0034]其中，标记如下：
[0035]10：气体扩散层；11：第一金属层；12：第一疏水层；13本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体扩散层，其特征在于，包括金属网基底，所述金属网基底上设有复合镀层，所述金属网基底的网孔内沿轴向不同高度处依次为第一金属层、第一疏水层、第二疏水层和第二金属层；其中，所述复合镀层中包括金属和第一疏水剂，所述复合镀层的粗糙度为5μm～8μm；所述第一金属层和所述第二金属层在所述金属网基底的网孔内沿轴向的高度分别独立地为0.2μm～2μm。2.如权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一疏水层的孔径为0.1μm～50μm，所述第二疏水层的孔径为5nm～500nm；和/或所述第一金属层的孔径和所述第二金属层的孔径分别独立地为0.5μm～100μm。3.如权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一疏水层包括第二疏水剂，所述第二疏水层包括第三疏水剂；所述第一疏水剂包含所述第二疏水剂和所述第三疏水剂。4.如权利要求1～3任一项所述的气体扩散层，其特征在于，所述复合镀层的厚度为5μm～10μm。5.如权利要求1～3任一项所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一疏水层与所述第二疏水层在所述金属网基底的网孔内沿轴向的高度之比为(2～5):1。6.如权利要求5所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一疏水层的高度为50μm～400μm，所述第二疏水层的高度为10μm～100μm。7.如权利要求1～3、6任一项所述的气体扩散层，其特征在于，所述金属网基底的材质选自镍、铁、银、钛、金、铂和钯中的至少一种；和/或所述金属网基底的网状结构选自烧结毡、冲孔网、编织网、拉伸网、激光打孔网、线切割网、粉末冶金网、铸造网、注塑网...

【专利技术属性】
技术研发人员：于力娜，朱雅男，高梦阳，唐柳，张中天，
申请(专利权)人：一汽解放汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：