一种燃料电池气体扩散层及其制备方法技术

本申请公开了一种燃料电池气体扩散层，适用于燃料电池，包括相抵接的多孔碳纤维基底层和微孔层；所述多孔碳纤维基底层靠近所述燃料电池的极板设置，所述微孔层靠近所述燃料电池的催化层设置；所述多孔碳纤维基底层靠近所述极板的一侧面上设置有流道；所述多孔碳纤维基底层的厚度为100μm～400μm，所述流道的深度20μm～100μm；所述微孔层的厚度为20μm～120μm。本申请还提供所述燃料电池气体扩散层的制备方法。本申请的制备方法简单，生产成本低，生产效率高，可实现连续化生产。制备得到的燃料电池气体扩散层应用于燃料电池，可以实现极板极薄化，能够大幅提高燃料电池电堆的功率密度和电池性能。密度和电池性能。密度和电池性能。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池气体扩散层及其制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种燃料电池气体扩散层及其制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池利用氢能最理想的发电装置。燃料电池是将燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。相比于传统能源而言，燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到了国内外的普遍重视。
[0003]目前，商业化燃料电池主要采用全氟磺酸质子交换膜，工作温度一般不超过80℃，存在催化剂对CO耐受性较差、PEM需增湿保持质子传导能力、阴极水管理复杂、需在极板上加工复杂流道进行水气传输等缺点。而高温质子交换膜燃料电池因其工作温度高于100℃(通常在100℃～200℃范围)，具有催化活性高、CO耐受性和水热管理简单等优点，可以使用甲醇重整气等氢气源，且在高温状态下水基本为气态，从而对极板流道设计及气体扩散层排水要求降低，因此，高温燃料电池慢慢成为研究热点。但是，如何在解决高温燃料电池反应气体传输(如气体出入口浓度差异的问题)、极板流道加工难度大的同时减轻其电堆重量、提高其体积功率密度和质量功率密度是目前的研究难点。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术提供一种燃料电池气体扩散层及其制备方法，旨在解决现有的高温燃料电池反应气体传输(如气体出入口浓度差异的问题)、极板流道加工难度大、电堆重量重、体积功率密度和质量功率密度低等问题。本申请通过优化燃料电池气体扩散层的结构，在碳纤维基底上设置微型流道来实现气体的传输与分配，既可避免极板流道加工难度大的难题，又解决了反应气体传输问题，实现了更优的燃料电池性能。
[0005]为实现上述目的，一方面，本专利技术实施例提供一种燃料电池气体扩散层，适用于燃料电池，包括相抵接的多孔碳纤维基底层和微孔层；所述多孔碳纤维基底层靠近所述燃料电池的极板设置，所述微孔层靠近所述燃料电池的催化层设置；所述多孔碳纤维基底层靠近所述极板的一侧面上设置有流道；所述多孔碳纤维基底层的厚度为100μm～400μm，所述流道的深度20μm～100μm；所述微孔层的厚度为20μm～120μm。
[0006]在多孔碳纤维基底层上设置流道，将原来极板需具备的气体传输功能转移至气体扩散层，简化了极板的加工，可以实现极板“极薄化”，这样能够大幅降低燃料电池的质量与体积，提高燃料电池的功率密度。
[0007]作为优选的实施方式，所述流道为蛇形流道、平行流道、螺旋流道或网格流道。
[0008]另一方面，本申请实施例还提供所述燃料电池气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：
[0009]S01、将碳纤维基底浆料置于3D打印机中进行3D打印，得到一面具有流道的碳纸基材；
[0010]S02、将步骤S01中的碳纸基材置于浸渍液中浸渍1h～12h，然后烘干，得到碳纸；
[0011]S03、于120℃～200℃、3MPa～8MPa将步骤S02中的碳纸热压30s～240s后进行碳化及石墨化，得到成品碳纸；
[0012]S04、将步骤S03中的成品碳纸进行疏水处理，然后真空干燥，固化，得到多孔碳纤维基底层；
[0013]S05、在步骤S04中的多孔碳纤维基底层远离所述流道的一面设置微孔层，得到燃料电池气体扩散层。
[0014]作为优选的实施方式，步骤S01中，
[0015]以所述碳纤维基底浆料的重量为100％计，所述碳纤维基底浆料含有 1.0％～10.0％聚丙烯腈基碳纤维、0.2％～2.5％有机分散剂和1.0％～3.0％粘胶剂，余量为水。
[0016]所述聚丙烯腈基碳纤维的直径为5μm～20μm，长度为2μm～10mm，长径比为200～600。
[0017]所述有机分散剂为聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、阴离子淀粉或阳离子淀粉中的一种或至少两种的混合物。通过有机分散剂，可以有效改变浆料的流变特性，限制碳纤维运动自由度，缓解聚丙烯腈基碳纤维沉降和团聚。
[0018]所述粘胶剂为聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯、环氧树脂或酚醛树脂中的一种或至少两种的混合物。
[0019]所述流道可以根据MEA尺寸及相关需求设置。
[0020]作为优选的实施方式，步骤S02中，
[0021]所述浸渍液由水、乙醇和树脂配置得到；所述水与所述乙醇的质量比为 1:1～1:3；以所述浸渍液的重量为100％计，所述浸渍液中含有10％～40％所述树脂。
[0022]所述树脂优选为酚醛树脂、苯酚树脂或呋喃树脂。
[0023]所述烘干为于50℃～90℃烘30min～120min。
[0024]作为优选的实施方式，步骤S03中，
[0025]所述碳化为于800℃～1000℃碳化15min～60min；所述石墨化为于 1500℃～2500℃石墨化15min～60min。
[0026]作为优选的实施方式，步骤S04中，
[0027]所述疏水处理采用疏水剂处理5小时～30小时；所述疏水剂的浓度为 10％～50％。
[0028]所述疏水剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯或氟化乙丙烯中的一种或至少两种的混合物。
[0029]所述真空干燥为于60℃～100℃干燥2小时～10小时。所述固化为于 300℃～400℃固化30min～5小时。
[0030]作为优选的实施方式，步骤S05中，
[0031]所述设置通过喷涂、刮涂或丝网印刷方式设置。
[0032]所述微孔层的厚度为20μm～120μm。
[0033]本申请通过在燃料电池气体扩散层的多孔碳纤维基底层上设置流道，可以避免在极板加工流道困难的难题，也能够很好的解决燃料电池反应气体传输和均匀分配的问题；同时，可以实现极板极薄化，能够大幅提高燃料电池电堆的功率密度(包括体积功率密度和
质量功率密度)和电池性能。并且，通过3D打印制备多孔碳纤维基底，可以有效避免常规湿法造纸中成型精度低的问题，可以根据实际需求实现精密、复杂和立体的流道结构设计。本申请的制备方法简单，生产成本低，生产效率高，可实现连续化生产。
附图说明
[0034]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
[0035]图1为本专利技术实施例1的燃料电池气体扩散层的结构示意图；
[0036]图2为本专利技术实施例1的燃料电池单体的结构示意图；
[0037]图3为本专利技术对比实施例1的燃料电池单体的结构示意图。
[0038]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例做进一步说明。
具体实施方式
[0039]下面将结合本专利技术实施例中对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，适用于燃料电池，包括相抵接的多孔碳纤维基底层和微孔层；所述多孔碳纤维基底层靠近所述燃料电池的极板设置，所述微孔层靠近所述燃料电池的催化层设置；所述多孔碳纤维基底层靠近所述极板的一侧面上设置有流道；所述多孔碳纤维基底层的厚度为100μm～400μm，所述流道的深度20μm～100μm；所述微孔层的厚度为20μm～120μm。2.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述流道为蛇形流道、平行流道、螺旋流道或网格流道。3.权利要求1或2所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S01、将碳纤维基底浆料置于3D打印机中进行3D打印，得到一面具有流道的碳纸基材；S02、将步骤S01中的碳纸基材置于浸渍液中浸渍1h～12h，然后烘干，得到碳纸；S03、于120℃～200℃、3MPa～8MPa将步骤S02中的碳纸热压30s～240s后进行碳化及石墨化，得到成品碳纸；S04、将步骤S03中的成品碳纸进行疏水处理，然后真空干燥，固化，得到多孔碳纤维基底层；S05、在步骤S04中的多孔碳纤维基底层远离所述流道的一面设置微孔层，得到燃料电池气体扩散层。4.根据权利要求3所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤S01中，以所述碳纤维基底浆料的重量为100％计，所述碳纤维基底浆料含有1.0％～10.0％聚丙烯腈基碳纤维、0.2％～2.5％有机分散剂和1.0％～3.0％粘胶剂，余量为水。5.根据权利要求4所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺凤，祁鹤，张震，程娇，
申请(专利权)人：深圳市氢瑞燃料电池科技有限公司，
类型：发明
国别省市：