一种耐高压长寿命气体扩散层及制备方法和燃料电池技术

本发明专利技术提供了一种耐高压长寿命气体扩散层及制备方法和燃料电池，所述耐高压长寿命气体扩散层包括金属网，所述金属网内设置有相连的第一疏水层和第二疏水层；第一疏水层的孔径范围为1μm～50μm，第二疏水层的孔径范围为10nm～500nm。本发明专利技术提供的气体扩散层，其表面整平、接触电阻小、排水速度快、导电性强、厚度小，强度高和导热性强。本发明专利技术所述耐高压长寿命气体扩散层不含碳材料，有效解决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高电压的条件下，耐高压长寿命气体扩散层具有高的稳定性。气体扩散层具有高的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种耐高压长寿命气体扩散层及制备方法和燃料电池


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，尤其涉及一种耐高压长寿命气体扩散层及制备方法和燃料电池。

技术介绍

[0002]由于环境污染、资源短缺不断严重，质子交换膜燃料电池凭借其具有较高的能量密度、较高的能量转化效率以及对环境无污染等优点，得到了越来越多的国家以及企业的重视。质子交换膜燃料电池在新能源汽车以及分布式发电等领域正在得到越来越广泛的运用。然而，造成质子交换膜燃料电池迈向商业化应用缓慢的原因很大程度上在于质子交换膜燃料电池控制的寿命与耐压问题。
[0003]日本NEDO发布的2040年燃料电池电堆性能路线图，其中2030年目标峰值功率工作电压为0.66V@3.8A/cm2，0.2A/cm2电流密度对应电压0.84V；2040年目标峰值功率工作电压为0.85V@4.4A/cm2，0.2A/cm2电流密度对应电压1.1V；为了获得更高功率，提升燃料电池单电池电压是最基本的途径，但会导致阴极电位增加，形成高电位(＞0.85V)。燃料电池在启停工况下，在阳极会形成氢/空界面，造成阴极高电势差，使燃料电池变成燃料电池和电解池，产生的反向电流，使阳极局部电位降低，对应阴极产生高电势差(1.5V左右)。在众多影响燃料电池寿命的因素中，高电位造成碳材料化学衰减被认为是造成电堆性能衰减的主要因素。其原因为在高电压(0.6～0.9V)以及有水的的情况下，碳氧化的速率随着电势增加而加快，碳材料会被氧化，产生含氧基团吸附在碳载体表面，降低其疏水性，最终被氧化生成CO和CO2。<br/>[0004]质子交换膜燃料电池包括膜电极和双极板，所述膜电极是燃料电池的核心部件，所述膜电极包括依次层叠的质子交换膜、催化层和气体扩散层，所述膜电极中的气体扩散层一侧朝向膜电极中的催化层，一侧朝向双极板。气体扩散层的主要功能是提供机械支撑、排出反应生成的水和导通电流。目前气体扩散层使用最广的碳材料为基材碳纸或者碳布、以及制备微孔层的导电碳材料。气体扩散层在高电位氧化作用下，碳材料腐蚀会导致憎水材料流失，气体扩散层水管理变差；碳腐蚀，还会导致电阻增大，欧姆极化增大，进而导致电池性能下降。
[0005]CN105119007A公开了一种耐腐蚀燃料电池气体扩散层的制备方法，气体扩散层由微孔层和支撑层组成，制备方法如下：将金属氧化物纳米粉体加入到含有分散剂的水溶液中，并搅拌、超声分散至形成均匀的悬浮液；再加入憎水剂乳液，搅拌至形成微孔层浆料；将微孔层浆料均匀涂覆到支撑层的一侧上，支撑层另一侧喷涂低浓度的憎水剂乳液；烘干并置于充氮烘箱中烧结得到气体扩散层。但是该气体扩散层采用的支撑层为碳纤维纸或碳纤维编织布，该气体扩散层的支撑强度较低，在高压环境中较易损坏。
[0006]CN103401003A公开了一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括基底与微孔层，所述基底为多孔金属网，所述多孔金属网表面设有电镀层，所述多孔金属网孔径为0.076
‑
0.4毫米，多孔金属网厚度为0.01
‑
0.4毫米；所述微孔层由炭黑浆料涂覆于碳纤维织
物表面，基底与微孔层重叠后通过压合为一体。其制备方法，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。但是，该气体扩散层采用压制的方法对微孔层和基底进行叠合，这会导致微孔层的附着力不强，容易脱落，这种气体扩散层的性能受损。
[0007]CN112952109A公开了一种具有双层扩散层的空气电极及其制备方法和应用。本专利技术的具有双层扩散层的空气电极，其结构从下到上依次包括聚四氟乙烯薄膜层、聚四氟乙烯/导电剂薄膜层和充电集流体的金属网。本专利技术通过将导电剂分散在醇溶剂中，加入聚四氟乙烯悬浮液混合均匀后制成薄膜，再经烘干得到聚四氟乙烯/导电剂薄膜；最后将纯聚四氟乙烯薄膜、聚四氟乙烯/导电剂薄膜以及金属网按照从下到上的顺序叠加后压制成一体，再在金属网上喷涂含催化剂的溶液，得到具有双层扩散层的空气电极。但是该气体扩散层中所述金属网与聚四氟乙烯/导电剂薄膜层的结合力较差，在使用过程中容易分离，从而导致燃料电池的损坏。
[0008]基于现有技术，开发一种耐高压长寿命气体扩散层，解决在高压条件下不发生材料腐蚀的问题，成为目前亟待解决的重点。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种耐高压长寿命气体扩散层及制备方法和燃料电池，所述耐高压长寿命气体扩散层采用金属网基底，使用不同组成的疏水浆料制备相连的第一疏水层和第二疏水层，得到所述耐高压长寿命气体扩散层，所述耐高压长寿命气体扩散层不含碳材料，有效解决膜电极工作电压设计逐渐升高而引起的碳腐蚀问题；实现在频繁启停等工况导致高电压的条件下，耐高压长寿命气体扩散层具有高的稳定性。高电位氧化加速衰减测试后，气体扩散层的接触角变化率仅为0.4～3.7％，垂直方向电导率变化率仅为0.2～4.6％，功率密度变化率仅为0.7～2.3％。
[0010]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]第一方面，本专利技术提供了一种耐高压长寿命气体扩散层，所述耐高压长寿命气体扩散层包括金属网，所述金属网内设置有相连的第一疏水层和第二疏水层；
[0012]所述第一疏水层的孔径范围为1μm～50μm，所述第二疏水层的孔径范围为10nm～500nm。
[0013]本专利技术中限定了第一疏水层的孔径范围为1μm～50μm，例如可以是1μm、20μm、30μm、40μm或50μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。燃料电池中第一疏水层一侧朝向双极板，第二疏水层一侧朝向与催化层，第一疏水层和第二疏水层的孔径配合，达到耐高压长寿命气体扩散层的良好水管理。第一疏水层和第二疏水层孔径相差太大，排水速度过快，不利于催化层低湿条件下的保水；第一疏水层和第二疏水层孔径相差太小，不利于催化层的排水，容易造成水淹，影响燃料电池的性能。
[0014]本专利技术中限定了第二疏水层的孔径范围为10nm～500nm，例如可以是10nm、20nm、90nm、150nm、250nm、350nm、450nm、470nm、480nm、490nm或500nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。燃料电池中第一疏水层一侧朝向双极板，第二疏水层一侧朝向催化层，第一疏水层和第二疏水层的孔径配合，达到耐高压长寿命气体扩散层的良好水管理。第一疏水层和第二疏水层孔径相差太大，排水速度过快，不利于催化层低湿
条件下的保水；第一疏水层和第二疏水层孔径相差太小，不利于催化层的排水，容易造成水淹，影响燃料电池的性能。
[0015]本专利技术所述耐高压长寿命气体扩散层采用金属网基底，使用不同组成的疏水浆料制备相连的第一疏水层和第二疏水层，得到所述耐高压长寿命气体扩散层，所述耐高压长寿命气体扩散层不含碳材料，有效解决膜电极工作电压设计逐渐升高而引起的碳腐蚀问题；实现在频繁启停等工况导致高电压的条件下，耐高压长寿命气体扩散层具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐高压长寿命气体扩散层，其特征在于，所述耐高压长寿命气体扩散层包括金属网，所述金属网内设置有相连的第一疏水层和第二疏水层；所述第一疏水层的孔径范围为1μm～50μm，所述第二疏水层的孔径范围为10nm～500nm。2.根据权利要求1所述的耐高压长寿命气体扩散层，其特征在于，所述金属网的网状结构包括烧结毡、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任意一种；优选地，所述金属网的材质包括镍、铁、银、钛、金、铂或钯中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的耐高压长寿命气体扩散层，其特征在于，所述金属网包括依次设置的第一金属层、第一疏水层、第二疏水层和第二金属层；优选地，所述第一金属层和第二金属层的孔径范围分别独立地为5μm～100μm；优选地，所述第一金属层和第二金属层的厚度分别独立地为0.5μm～2μm。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的耐高压长寿命气体扩散层，其特征在于，所述金属网为表面设置有涂层的金属网；优选地，所述涂层的表面粗糙度分别独立地为5μm～8μm；优选地，所述涂层的厚度为5μm～10μm；优选地，所述涂层包括碳化物、氮化物、碳或金属单质中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述碳化物包括钛的碳化物、铬的碳化物、钨的碳化物或钼的碳化物中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述氮化物包括钛的氮化物、铬的氮化物、钨的氮化物或钼的氮化物中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述金属单质包括Ti、Cr、Au、Pd、Pt或Ni中的任意一种或至少两种的组合。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的耐高压长寿命气体扩散层，其特征在于，所述第一疏水层的厚度为50μm～400μm；优选地，所述第二疏水层的厚度为10μm～100μm。6.一种如权利要求1
‑
5任一项所述耐高压长寿命气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：(1)金属网涂覆第一疏水浆料，烧结，实现第一疏水层的设置；(2)涂覆第二疏水浆料，烧结，实现第二疏水层的设置；(3)表面处理，得到所述气体扩散层。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一疏水浆料包括：第一造孔剂、第一分散剂、第一疏水剂和第一溶剂；优选地，所述第一疏水浆料中，所述第一造孔剂所占的质量分数为8wt％～15wt％；优选地，所述第一疏水浆料中，所述第一分散剂所占的质量分数为0.1wt％
‑
2wt％；优选地，所述第一疏水浆料中，所述第一疏水剂所占的质量分数为5wt％～20wt％；优选地，所述第一疏水浆料中，所述第一溶剂所占的质量分数为63wt％～86.9wt％；优选地，所述第二疏水浆料包括：第二造孔剂、第二分散剂、第二疏水剂和第二溶剂；
优选地，所述第二疏水浆料中，所述第二造孔剂所占的质量分数为1wt％～8wt％；优选地，所述第二疏水浆料中...

【专利技术属性】
技术研发人员：于力娜，朱雅男，刘晓雪，吴芳敏，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：