本发明专利技术涉及一种燃料电池用具有梯度结构的气体扩散层及其制备方法和应用。所述气体扩散层由大孔炭基支撑体和微孔层叠合组成，构成微孔层的组成材料从远离电池流场的大孔炭基支撑体一侧镶嵌到大孔炭基支撑体内，构成过渡孔层；所述过渡孔层由微孔层的组成材料和大孔炭基支撑体的纤维构成，是通过微孔层的组成材料从远离电池流场的大孔炭基支撑体一侧嵌入得到的；所述气体扩散层中自与流场相邻的一侧向与催化层相邻的一侧方向上的反应气体传递的曲率呈梯度增加趋势，空气透气率由4～10s/100ml逐渐降低至100～900s/100ml。该结构的气体扩散层有效增加了水和气体在GDL内的传质曲率，延长了产物水传递的路径，有利于保持电池内部的液态水，特别适用于低湿度条件下运行的燃料电池以及碱性燃料电池的阴极。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，具体地说涉及一种具有梯度孔结构的气体扩散层及其制备方法。
技术介绍
燃料电池是一种电化学发电装置，具有能量转化效率高(40-60％)，环境友好等突出优点，具有广阔的应用前景。它能低温启动，无电解质腐蚀和泄漏，结构简单，操作方便，在电动汽车、区域性电站、航天器、便携式电源等领域具有很强的竞争优势，其适应远航程的特点对水下作战平台等水下深潜器的开发极具吸引力，近年来引起人们广泛的关注。碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)，是指采用碱性聚合物电解质作为电荷传递载体的燃料电池，又简称为碱性膜燃料电池。这里的电荷，主要指OH-，在电池中OH-的运动方向为从阴极通过阴离子膜(AEM)向阳极传递。从原理上看，AAEMFC结合了质子交换膜燃料电池(PEMFC)和传统的碱性燃料电池(AFC)的优势：如膜电极结构紧凑，不使用强碱溶液(如KOH)，因而不会析出碳酸盐沉淀，从而对电极的憎水性、孔结构等没有破坏作用，也不会出现碱液渗漏等问题；与PEMFC采用酸性聚合物电解质不同，AAEMFC中的电解质是碱性的，腐蚀性相对于酸性电解质要弱得多，从而对催化剂的稳定性要求降低，除可使用Pt外，还可以使用廉价金属，如Ni，Co等，不但拓宽了催化剂的使用范围，而且对于降低燃料电池的成本具有重要意义。由于AAEMFC研究的时间较短，其关键材料与部件等的研究和开发均处于初始阶段，除急需开发高OH-传导能力、高机械稳定性和热稳定性的阴离子交换膜和用于立体化的离子交换树脂以及提高非贵催化剂活性和稳定性之外，目前存在的关键问题还有如下两点：(1)阴极反应水的传质问题在AAEMFC中，阴极发生的电化学反应为O2+2H2O+4e-→4OH-可以发现，H2O是反应物。研究表明，即使是在高湿度供气条件下，向阴极供应水的主要来源依然是阳极电化学反应生成水的反扩散。在阴极，由于受到反应气体O2尾气排出以及电极结构的限制，作为反应物之一的水向阴极反应活性位的传质受限，因此，如何从阴极结构设计方面降低阴极H2O的排出速度，保持阴极电化学反应所需的H2O，是目前AAEMFC炙待解决的一个关键性问题。(2)使用H2的阳极电极结构设计与优化在AAEMFC中，阳极的结构既要及时提供电化学反应所需的气体，还必须将反应产物(包括气体和水)迅速排出电池，类似于一体化可再生燃料电池(URFC)电极的功能，因此，阳极的亲疏水性必须适中，才能满足上述需求。在燃料电池中，气体扩散层(GDL)具有支撑催化层和电解质膜、收集电流、传递反应气体和产物以及传热等多种功能。GDL通常由具有大孔的石墨支撑体(炭纸或炭布)和小孔的微孔层(MPL)构造双孔结构，并使用具有粘结和憎水作用的有机高分子材料(如聚四氟乙烯等)进行处理，以获得传递气体的憎水孔和排出生成水的亲水孔系统。迄今为止，有关碱性AAEMFC用气体扩散层结构及制备方法方面的专利较少，大部分研究者沿用酸性燃料电池(如PEMFC)的GDL结构，如专利US2003/0091891、US6127059，CN98109696，CN96198611等认为在疏水处理的气体扩散层表面均匀涂覆一层由高导电性炭黑与憎水剂构成的微孔层(MPL)能够有效的处理好水汽传送的问题。潘牧等在CN1309109C中通过在微孔层中加入造孔剂(如氯化铵、碳酸锂等)从而构建出纵截面为梯形的梯度孔来促进液态水的迅速排出。US 6,605,381B1通过在电极催化层与流场之间的气体扩散层局部区域内构建透气率逐渐增加的梯度，改善反应气体在流场板和催化层内的均匀分布。综上可知，针对AAEMFC所急需的保持阴极反应水方面的适用GDL结构很少，大部分研究者采用向电极催化层内添加保水组分，如SiO2，TiO2等来增加电极的保水性，但是，这类氧化物几乎没有导电性，增加了电池的内阻，同时，催化层内液态水对催化剂粒子的包覆作用还会阻碍反应气体向催化活性位迁移的速度，从而对电池性能具有一定的负面影响。CN101662031A公开了一种具有较低气体扩散率的气体扩散层结构，通过向微孔层中添加分散均匀的导电薄片(如石墨薄片)等各向异性的颗粒，降低微孔层的孔隙率，提高气体通过微孔层的传递阻力，从而赋予GDL良好的保水能力，以应用于干燥条件下运行的燃料电池。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有良好保水能力的气体扩散层及其制备方法，以解决碱性阴离子交换膜燃料电池和较低增湿操作条件下的质子交换膜燃料电池阴极缺水的技术难题。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案与特征如下：一种具有梯度孔结构的气体扩散层，所述气体扩散层由大孔炭基支撑体和微孔层叠合组成；其中，大孔炭基支撑体与电池流场相邻，与流场相邻的气体扩散层表面为第一表面；微孔层与膜电极催化层相邻，与催化层相邻的气体扩散层表面为第二表面；所述气体扩散层的特征在于：构成微孔层的组成材料从远离电池流场的大孔炭基支撑体一侧镶嵌到大孔炭基支撑体内，构成过渡孔层；且于大孔炭基支撑体内、从电池流场向膜电极催化层的方向上微孔层组成材料的含量逐渐增加；即微孔层的组成材料浓度从第一表面向第二表面方向上呈递增趋势。所述气体扩散层是通过将微孔层的组成材料从远离电池流场的大孔炭基支撑体一侧嵌入，使气体扩散层中自第一表面向第二表面方向上反应气体传递的曲率呈梯度增加趋势，空气透气率由4～10s/100ml逐渐降低至100～900s/100ml；所述过渡孔层由微孔层的组成材料和大孔炭基支撑体的纤维构成，其中过渡孔层的厚度为大孔炭基支撑体的厚度；所述微孔层的组成材料包括导电材料、憎水粘结剂，其中导电材料和憎水粘结剂的比例为1∶9～9∶1，导电材料总担载量为2～6mg/cm2。；所述导电材料为活性炭、介孔炭或石墨粉，憎水粘结剂为聚四氟乙烯树脂、聚偏氟乙烯树脂、聚偏氟丙稀树脂、聚全氟丙稀树脂或聚全氟乙丙稀树脂的微粉、溶液或乳液。所述气体扩散层的大孔炭基支撑体为导电编织炭布或导电非编织炭纸，其孔径范围为10微米≥大孔炭基支撑体的平均孔径≥1微米，空气透气率为4～10s/100ml。所述气体扩散层的制备方法，特征在于过渡孔层和微孔层的制备：在压力作用下将微孔层浆料分2次或2次以上从大孔炭基支撑体的一侧均匀渗透至经过预处理的大孔炭基支撑体内部；压力自第二表面向第一表面方向施加，使大孔炭基支撑体上于第二表面侧与第一表面侧间的压力差为0.1-6M本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有梯度孔结构的气体扩散层，所述气体扩散层由大孔炭基支
撑体和微孔层叠合组成；其中，大孔炭基支撑体与电池流场相邻，与流场
相邻的气体扩散层表面为第一表面；微孔层与膜电极催化层相邻，与催化
层相邻的气体扩散层表面为第二表面；
其特征在于：构成微孔层的组成材料从远离电池流场的大孔炭基支撑
体一侧镶嵌到大孔炭基支撑体内，构成过渡孔层；且于大孔炭基支撑体内、
从电池流场向膜电极催化层的方向上微孔层组成材料的含量逐渐增加；即
微孔层的组成材料浓度从第一表面向第二表面方向上呈递增趋势。
2.按照权利要求1所述气体扩散层，其特征在于：通过微孔层的组成
材料从远离电池流场的大孔炭基支撑体一侧嵌入，使气体扩散层中自第一
表面向第二表面方向上的空气透气率由4～10s/100ml逐渐降低至100～
900s/100ml；
所述过渡孔层从第一表面向第二表面方向上反应气体传递的曲率呈梯
度增加趋势，空气透气率呈递减趋势。
3.按照权利要求1所述气体扩散层，其特征在于：所述过渡孔层由微
孔层的组成材料和大孔炭基支撑体的纤维构成，其中过渡孔层的厚度为大
孔炭基支撑体的厚度；
所述微孔层的组成材料包括导电材料、憎水粘结剂；
所述导电材料为活性炭、介孔炭或石墨粉，憎水粘结剂为聚四氟乙烯
树脂、聚偏氟乙烯树脂、聚偏氟丙稀树脂、聚全氟丙稀树脂或聚全氟乙丙
稀树脂的微粉、溶液或乳液。
4.按照权利要求1所述气体扩散层，其特征在于：其中导电材料和憎
水粘结剂的比例为1∶9～9∶1，导电材料总担载量为2～6mg/cm2。
5.按照权利要求1所述气体扩散层，其特征在于：所述大孔炭基支撑
体为导电编织炭布或导电非编织炭纸，10微米≥大孔炭基支撑体的平均孔
径≥1微米，空气透气率为4～10s/100ml。
6.一种权利要求1所述气体扩散层的制备方法，其特征在于：
过渡孔层和微孔层的制备：
在压力作用下将微孔层浆料分...
【专利技术属性】
技术研发人员：张华民，邱艳玲，董明全，张凤祥，曲超，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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