气体扩散层、膜电极组件、燃料电池及用电装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及燃料电池材料技术领域，特别是一种气体扩散层、膜电极组件、燃料电池和用电装置。该气体扩散层包括基底层和设于所述基底层上的微孔层，所述微孔层的组分包括：碳粉、粘结剂和金属氧化物。上述气体扩散层，采用金属氧化物掺杂方法在微孔层中加入金属氧化物，其应用于以磷酸掺杂的聚合物膜作为质子交换膜的高温燃料电池，随着在燃料电池高温运行，质子交换膜中的磷酸汽化迁移到气体扩散层中，并与微孔层中的金属氧化物发生反应生成磷酸盐，减小了磷酸对于微孔层中碳粉的腐蚀，提高了气体扩散层的抗磷酸腐蚀性能以及抗电化学腐蚀性能，提升了高温燃料电池的使用寿命。提升了高温燃料电池的使用寿命。提升了高温燃料电池的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
气体扩散层、膜电极组件、燃料电池及用电装置


[0001]本专利技术涉及燃料电池材料
，特别是一种气体扩散层、膜电极组件、燃料电池和用电装置。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种高效能、无污染的一种发电电池，目前使用最广泛的一类燃料电池为质子交换膜燃料电池。根据工作时温度的不同，质子交换膜燃料电池可以分为高温质子交换膜燃料电池(High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell，HT
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PEMFC)与低温质子交换燃料电池(Low Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cell，LT
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PEMFC)。HT
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PEMFC运行温度为160～220℃，LT
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PEMFC运行温度通常为60～95℃，而更高的运行温度不仅能够提高电化学反应速率，同时也能提升贵金属Pt/C催化剂的抗CO毒化能力。因此HT
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PEMFC对于阳极侧氢气的纯度要求也比较低，相对LT
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PEMFC有着更多的应用场景。
[0003]燃料电池的主要功能结构为膜电极，具体包括质子交换膜、催化层和气体扩散层，其中质子交换膜为一种绝缘体，用于分割阳极和阴极，阻止燃料和空气直接混合发生化学反应；两侧的催化层是燃料和氧化剂进行电化学反应的场所；最外侧的气体扩散层的主要作用是燃料气体、氧气、反应产物和电子的扩散媒介，具有高导电性、高导热性、抗腐蚀性和疏水性。对于燃料电池的使用寿命变短和性能退化的机理主要包括：催化剂原子的迁移和溶解，催化剂载体碳的腐蚀；质子交换膜的化学衰减、热衰减和机械衰减；气体扩散层中的碳被腐蚀，使得微孔结构发生变化，不利于反应原料和产物的传送，同时电阻率增大。因此，制备拥有良好抗腐蚀性和导电性的气体扩散层对于提高燃料电池的寿命有重要意义。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术提供了一种气体扩散层，应用于燃料电池，能够提升燃料电池的使用寿命。
[0005]本专利技术的第一目的是提供了一种气体扩散层，所述气体扩散层包括基底层和设于所述基底层上的微孔层，所述微孔层的组分包括：碳粉、粘结剂和金属氧化物。
[0006]在一些具体地实施例中，所述微孔层的组分按重量份数计包括：碳粉60～85份、粘结剂10～30份和金属氧化物1～10份。
[0007]在一些具体地实施例中，所述微孔层的组分按质量百分含量计包括：碳粉60％～85％、粘结剂10％～30％和金属氧化物1％～10％。
[0008]在一些具体地实施例中，所述微孔层的组分按质量百分含量计包括：碳粉70％～80％、粘结剂15％～25％和金属氧化物3％～8％。
[0009]在一些具体地实施例中，所述金属氧化物能够在160～220℃的温度下与磷酸发生反应生成磷酸盐。
[0010]在一些具体地实施例中，所述金属氧化物选自Fe2O3、Al2O3、MnO2和MgO中的一种或
多种。
[0011]在一些具体地实施例中，所述金属氧化物的粒径为40nm～100nm。
[0012]在一些具体地实施例中，所述碳粉为XC
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72、XC
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72R、科琴黑、碳纳米管、石墨烯和石墨中的一种或多种。
[0013]在一些具体地实施例中，所述碳粉的粒径为30nm～500nm。
[0014]在一些具体地实施例中，所述粘结剂为聚四氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、四氟乙烯
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全氟烷氧基乙烯基醚共聚物和聚硅氮烷树脂中的一种或多种。
[0015]在一些具体地实施例中，所述基底层的厚度为150μm～200μm。
[0016]在一些具体地实施例中，所述微孔层的厚度为20μm～50μm。
[0017]本专利技术的第二目的提供了上述气体扩散层的制备方法，包括：
[0018]S1:将碳粉与醇和水混合，得到碳粉处理液；
[0019]S2:将所述碳粉处理液与粘结剂和金属氧化物混合，得到微孔层浆料；
[0020]S3:将所述微孔层浆料涂布在基底层表面，并进行干燥、烧结处理以形成所述微孔层，得到气体扩散层。
[0021]在一些具体地实施例中，所述醇与所述水的体积比为1:0.1～1；所述醇为甲醇、正丙醇、异丙醇、乙二醇和正丁醇中的一种或多种。
[0022]在一些具体地实施例中，所述粘结剂以粘结剂乳液的形式加入，所述粘结剂乳液的组分包括：粘结剂、表面活性剂和水，所述粘结剂占所述粘结剂乳液质量的10％～20％。
[0023]在一些具体地实施例中，所述微孔层浆料的固含量为8％～30％。
[0024]在一些具体地实施例中，所述烧结处理在惰性氛围下进行，烧结温度为200～380℃，烧结时间为0.5～2h。
[0025]本专利技术的第三目的提供了上述气体扩散层在高温燃料电池中的应用。
[0026]本专利技术的第四目的提供了一种膜电极组件，包括依次层叠的第一气体扩散层、第一催化层、质子交换膜、第二催化层和第二气体扩散层，所述第一气体扩散层和/或第二气体扩散层为上述气体扩散层。
[0027]在一些具体地实施例中，所述质子交换膜为掺杂磷酸的聚合物膜。
[0028]本专利技术的第五目的提供了一种燃料电池，包括上述的膜电极组件和设于所述膜电极组件两侧的双极板。
[0029]本专利技术的第六目的提供了一种用电装置，所述用电装置包括上述燃料电池。
[0030]相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0031]本专利技术上述气体扩散层，采用金属氧化物掺杂方法在微孔层中加入金属氧化物，故而其应用于以磷酸掺杂的聚合物膜作为质子交换膜的高温燃料电池，随着在燃料电池高温运行，质子交换膜中的磷酸汽化迁移到气体扩散层中，并与微孔层中的金属氧化物发生反应生成磷酸盐，故而减小了磷酸对于微孔层中碳粉的腐蚀，提高了气体扩散层的抗磷酸腐蚀性能以及抗电化学腐蚀性能，从而提升了高温燃料电池的使用寿命。
[0032]本专利技术上述气体扩散层的制备方法，原料来源广泛，制备过程简单，条件温和，适用于工业化应用。
附图说明
[0033]图1为本专利技术实施例1提供的气体扩散层应用于燃料电池进行老化实验前后的极化曲线图；
[0034]图2为本专利技术实施例2提供的气体扩散层应用于燃料电池进行老化实验前后的极化曲线图；
[0035]图3为本专利技术对比例1提供的气体扩散层应用于燃料电池进行老化实验前后的极化曲线图。
具体实施方式
[0036]为了便于理解本专利技术，下面将参照相关实施例对本专利技术进行更全面的描述。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本专利技术的公开内容的理解更加透彻全面。
[0037]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层包括基底层和设于所述基底层上的微孔层，所述微孔层的组分包括：碳粉、粘结剂和金属氧化物。2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述微孔层包括以下(1)～(3)至少一个特征：(1)所述微孔层的组分按重量份数计包括：碳粉60～85份、粘结剂10～30份和金属氧化物1～10份；(2)所述微孔层的组分按质量百分含量计包括：碳粉60％～85％、粘结剂10％～30％和金属氧化物1％～10％；(3)所述微孔层的组分按质量百分含量计包括：碳粉70％～80％、粘结剂15％～25％和金属氧化物3％～8％。3.根据权利要求1～2任一项所述的气体扩散层，其特征在于，所述金属氧化物包括以下(4)～(6)至少一个特征：(4)所述金属氧化物能够在160～220℃的温度下与磷酸发生反应生成磷酸盐；(5)所述金属氧化物选自Fe2O3、Al2O3、MnO2和MgO中的一种或多种；(6)所述金属氧化物的粒径为40nm～100nm。4.根据权利要求1～2任一项所述的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层包括以下(7)～(11)至少一个特征：(7)所述碳粉为XC
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72、XC
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72R、科琴黑、碳纳米管、石墨烯和石墨中的一种或多种；(8)所述碳粉的粒径为30nm～500nm；(9)所述粘结剂为聚四氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、四氟乙烯
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全氟烷氧基乙烯基醚共聚物和聚硅氮烷树脂中的一种或多种；(10)所述基底层的厚度为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔勇，廖寄乔，龙鹏，彭信辉，孙伟华，陈智松，杨嘉昕，
申请(专利权)人：湖南金博氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：