燃料电池气体扩散层的微孔层及其制备方法、膜电极及燃料电池技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池气体扩散层，其包括气体扩散层微孔层，所述微孔层含有引导气体横向扩散的碳纤维功能层，且该碳纤维功能层的碳纤维分布方向与x轴夹角a为

【技术实现步骤摘要】
燃料电池气体扩散层的微孔层及其制备方法、膜电极及燃料电池


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，更具体的说，涉及一种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]燃料电池以启动方便、高能量密度、零排放、能量转化效率高的特点成为现在及未来电源系统的重要发展方向。同时燃料电池使用的氢气来源广泛，以太阳能发电，风电，潮汐发电等得到的电能通过电解水制备出的氢气，是全流程无污染的“绿氢”，是发展储能的一种途径也能降低二氧化碳排放。
[0003]质子交换膜燃料电池电堆由端板、绝缘板、集流板、双极板、膜电极等组装而成，反应介质氢气和空气经由公共管道、流场流道、气体扩散层传输到催化层表面进行电化学反应。由于催化剂电化学特性、材料本体电阻和接触电阻、气体传输阻力影响，会产生电化学极化、欧姆极化和传质极化。为了有效降低欧姆极化通常会对电堆施加合适的组装压力来降低接触电阻，组装压力会导致气体扩散层孔隙率下降，双极板脊下水汽传输能力降低。如果组装力偏小，又会造成接触电阻偏大，电堆性能下降，发热明显。
[0004]如何保证燃料电池中电阻降低并增强水汽传输能力，以保证燃料电池具有较好的性能，是提高燃料电池性能的重要途径。
[0005]从燃料电池电堆组装的结构来看，电堆反应需要的氢气和空气(或氧气) 经过双极板流道传输到气体扩散层基底层表面，通过浓差扩散或者努森扩散将其传输到催化层进行反应，同时通过浓差扩散或毛细效应等将催化层产生或囤积的液态水传递回双极板流场流道中。但双极板的脊部分需要压缩气体扩散层才能有效降低接触电阻，但这样会造成脊下部分气体扩散层孔隙率大幅降低，孔径变小，造成脊下局部发生传质极化，降低发电效率，严重者会造成局部过热或者发生反极现象，长期下去导致脊下气体扩散层结构坍塌或质子交换膜穿孔，进而导致电堆失效。
[0006]但是目前的燃料电池气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，其中微孔层主要由导电剂(如乙炔黑、炭黑)和疏水剂(聚四氟乙烯)组成，如新源动力股份有限公司提交的第CN 110797540A号中国专利申请，将高导电性材料、碳纳米管、亲水剂和分散液通过搅拌的方式配制成成分均匀的浆料；其中，碳纳米管采用VGCF
‑
H；通过丝网印刷的方式将浆料均匀的分布在支撑材料上。或者如通用汽车环球科技运作公司提交的第CN101662031A号中国专利申请，涉及具有较低的气体扩散系数的气体扩散层，尤其涉及用于燃料电池中的气体扩散层，其包括气体可渗透的扩散结构和微孔层。该微孔层包括多个各向异性形状的颗粒，同时降低了该微孔层的孔隙率并提高了用于传送通过该微孔层的气体传送的曲折率。这些专利都是只解决了导电和透气的功能，却不能实现在微孔层面内方向或者横向(in plane)增强气体传输或对气流有引导的作用，容易造成脊下水淹，传质极化，影响电堆性能。第CN114256475A中国专利申请公开了一种燃料电池气体扩散层的基底层，所述基底层中碳纤维
分布方向与x轴夹角a为
‑
45
°
≤a<45
°
范围内的纤维数量较a为45
°
≤a<135
°
范围内纤维数量多5％及以上。采用该气体扩散层结构制备出的膜电极以及装配成的燃料电池电堆，其双极板脊下传质极化现象降低，提高膜电极的有效活性面积，提高系统的功率密度。但是在实际燃料电池工作中，水是在阴极侧催化层反应生成的，首先要通过与其直接接触的气体扩散层微孔层才能到达气体扩散层基底层，同时，阳极侧的水也要穿过微孔层才能到达基底层。该只强调基底层纤维分布有取向，并不能解决微孔层内的水管理问题，同时基底层的在涂敷微孔层时存在侵入基底层情况，严重影响传质性能。

技术实现思路

[0007]因此本申请的目的之一是通过制备出有取向的气体扩散层微孔层，引导水汽通过气体扩散层微孔层面内方向或者横向(in plane)传输，也就是相对于与纸的正面到背面(through plane)相垂直的方向，来有效降低脊下极化现象产生。
[0008]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种燃料电池气体扩散层的微孔层，包括碳纤维功能层，其中，所述碳纤维功能层由碳纤维制成的无纺织物层形成并由疏水剂熔融后冷却形成的连续网络结构而自身固定并固定在基底层并，以形成具有纳米微孔的结构，其中，所述疏水剂通过向所述无纺织物层的表面施加至少包括疏水剂的浆料使得所述疏水剂而渗透进入所述无纺织物层和基底层。
[0009]在一些实施例中，所述碳纤维功能层中分布方向为与气体扩散层的第一方向的夹角在
‑
45
°
至45
°
范围内的碳纤维数量比与气体扩散层的第一方向的夹角为45
°
至135
°
范围内碳纤维数量多20％及以上。
[0010]在一些实施例中，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，疏水剂所占气体扩散层微孔层整体总重量的百分比为1％～50％，优选20％～39％。
[0011]在一些实施例中，所述浆料还包括导电剂，所述导电剂被所述疏水剂的连续网络结构固定于所述无纺织物层。
[0012]在一些实施例中，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。
[0013]在一些实施例中，所述微孔层的厚度为5μm～200μm。
[0014]本申请的另一些实施例提供了一种上述任一项的燃料电池气体扩散层的微孔层的制备方法，其包括步骤：制备碳纤维功能层；制备微孔层浆料；将所述碳纤维功能层置于经过疏水处理的气体扩散层基底层一侧，将所述微孔层浆料涂敷在碳纤维功能层所述表面，并使用50℃～250℃温度干燥得到气体扩散层中间体；以及将将气体扩散层中间体在250℃～390℃温度下高温处理10～100分钟。
[0015]在一些实施例中，制备碳纤维功能层是有取向分布的碳纤维增强层；
[0016]在一些实施例中，还包括在所述浆料中加入导电剂。
[0017]在一些实施例中，还包括在所述浆料中加入自由基猝灭剂。
[0018]在一些实施例中，采用丝网印刷、滚涂、直涂、刮涂等方式中的一种或几种将所述包含疏水剂、和/或导电剂、和/或自由基猝灭剂的所述浆料施加在碳纤维功能层的表面且所述浆料渗透进碳纤维无纺织物层中。
[0019]在一些实施例中，所述制备碳纤功能层包括：将碳纤维丝束在清洗溶剂中漂洗或进行石墨化处理；将经过处理的碳纤维进行短切形成短碳纤维，并用空气吹散，防止粘连；将得到的短碳纤维在铺网机内沉降，沉降过程中施加横向气流吹拂所述短碳纤维，引导短碳纤维有取向分布，在沉降后得到无纺织物，并均匀喷涂粘结剂。
[0020]在一些实施例中，所述制备导电疏水浆料包括将导电剂、疏水剂、去离子水、醇类溶剂、分散剂、造孔剂、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的微孔层，其特征在于：所述微孔层包括碳纤维功能层，其中，所述碳纤维功能层由碳纤维制成的无纺织物层形成并由疏水剂熔融后冷却形成的连续网络结构而自身固定并固定在基底层并形成具有纳米微孔的结构，其中通过向所述无纺织物层的表面施加至少包括疏水剂的浆料使得所述疏水剂渗透进入所述无纺织物层和基底层。2.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层的微孔层，其特征在于：所述碳纤维功能层中分布方向为与气体扩散层的第一方向的夹角在
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45
°
至45
°
范围内的碳纤维数量比与气体扩散层的第一方向的夹角为45
°
至135
°
范围内碳纤维数量多20％及以上。3.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层的微孔层，其特征在于：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，疏水剂所占气体扩散层微孔层整体总重量的百分比为1％～50％，优选20％～39％。4.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层的微孔层，其特征在于：所述浆料还包括导电剂，所述导电剂被所述疏水剂的连续网络结构固定于所述无纺织物层。5.根据权利要求4所述的燃料电池气体扩散层的微孔层，其特征在于：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。6.根据权利要求1所述燃料电池气体扩散层的微...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晋，贺晓蕊，
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：