CN102024961A - 一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法，所述的扩散层包括基底层和微孔层，所述的微孔层由微孔衬层和微孔表层组成。所述的微孔衬层位于基底层和微孔表层之间，微孔衬层是孔隙率较大和疏水性较强的微孔层，微孔表层是与微孔衬层相比具有孔隙率较小和疏水性较弱的微孔层。所述的制备方法，包括憎水化处理、配制料浆、微孔层涂制和高温下焙烧的步骤。由于燃料电池反应中气体是由基底层向微孔层的扩散过程，因此，本发明通过对气体扩散层中微孔层的分步制作，使气体扩散层由基底层至两层微孔层的孔隙率形成了梯度递减，更有利于反应气的扩散，更有利于电池生成水的排出，电池的功率可显著提高。

Description

一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池制备技术，特别是一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种通过氢和氧的电化学反应产生直流电的发电系统。具体的反应过程为：
2H2→4H++4e-              (1)
O2+4e-→2O2-+4H+→2H2O    (2)
方程(1)表示发生在阳极的氧化反应。在这个过程中氢分子变成质子和电子，质子传导至阴极。方程(2)表示发生在阴极的还原反应。在这个过程中，氧原子接受电子成为氧离子，氧离子与来自于阳极的氢质子反应生成水分子。
氢氧的反应是在电极上进行的，由于反应的连续进行，因此需要气体的不断供给及生产水的不断排出。由于气体扩散层具备这一功能，因此，气体扩散层的气体供给及生成水的排出也是影响燃料电池发电、输出能力的一个重要因素。而通常使用的气体扩散层，其微孔层与基底层的孔隙率的落差较大，尤其是对生成水的排出不利。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以改善电池运行中气体的扩散及生成水的排出的质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括基底层和微孔层，所述的微孔层由微孔衬层和微孔表层组成。
本发明所述的基底层采用大孔径的碳纸或碳布材料，再经PTFE疏水处理以及高温焙烧制得；疏水处理后的基底材料中PTFE的质量百分含量10％～20％。
本发明所述的微孔衬层位于基底层和微孔表层之间，微孔衬层是孔隙率较大和疏水性较强的微孔层，微孔表层是与微孔衬层相比具有孔隙率较小和疏水性较弱的微孔层。
本发明所述的第一微孔层厚度为：5～10μm，孔隙率为：40％～50％；微孔表层的厚度为10～15μm，孔隙率为：30％～40％。
一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
A、憎水化处理：将多孔碳纸在质量百分含量为1％～3％的PTFE乳液中浸渍，至碳纸中PTFE的增加量占总质量的10％～20％，然后经340℃焙烧，制得基底层；
B、配制料浆：分别按照微孔衬层和微孔表层的用料比例，将碳粉、PTFE乳液、造孔剂以及适量的异丙醇在超声波中搅拌，配制成微孔衬层和微孔表层的浆料；
C、微孔层涂制：先将微孔衬层的浆料涂制在经过憎水化处理的基底层上，达到所需控制的厚度后，再使用微孔表层的浆料，继续涂制到所要求的厚度；
D、高温下焙烧：将涂敷完浆料的基底层在340℃高温下焙烧，就制得了双微孔层的气体扩散层。
本发明所述的基底层采用大孔径的碳纸或碳布材料，再经PTFE疏水处理以及高温焙烧制得；疏水处理的基底材料的PTFE质量百分含量为10％～20％。
本发明所述的微孔层由导电碳粉、疏水剂以及造孔剂涂制后再经高温焙烧后制得；导电碳粉通常为Vulcan XC-72碳粉和乙炔黑或珍珠碳，造孔剂为碳酸铵、碳酸氢铵或草酸胺。
本发明所述的微孔衬层制作后不经焙烧再直接进行微孔表层的制作，微孔衬层的孔隙率及疏水性高于微孔表层。
本发明所述的微孔衬层和微孔表层的材料包括导电碳粉、疏水剂和造孔剂；其中，微孔衬层中造孔剂的添加量占导电碳粉量的质量百分含量为200％～300％，浆料中PTFE的质量百分含量为40％～60％；微孔表层中造孔剂的添加量占导电碳粉量的质量百分含量为50％～100％，浆料中PTFE的质量百分含量为10％～30％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于燃料电池反应中气体是由基底层向微孔层的扩散过程，因此，本发明通过对气体扩散层中微孔层的分步制作，使气体扩散层由基底层至两层微孔层的孔隙率形成了梯度递减，更有利于反应气的扩散。
2、由于燃料电池反应生成水的排出是由微孔层向基底层，因此，本发明通过对气体扩散层中基底层及微孔层的亲疏水调整，使扩散层的亲水性形成了一种反向递减的结构，更有利于电池生成水的排出。
3、由于燃料电池在高电流密度下运行，扩散极化影响为主导因素，因此，本发明通过改善气体扩散层，可提高电池的运行操作点，电池的功率可显著提高。
附图说明
本发明仅有附图1张，其中：
图1是质子交换膜燃料电池的气体扩散层的结构示意图。
图中：1、基底层，2、微孔衬层，3、微孔表层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括基底层1和微孔层，所述的微孔层由微孔衬层2和微孔表层3组成。所述的基底层1采用大孔径的碳纸或碳布材料，再经PTFE疏水处理以及高温焙烧制得；疏水处理后的基底材料中PTFE的质量百分含量10％～20％。所述的微孔衬层2位于基底层1和微孔表层3之间，微孔衬层2是孔隙率较大和疏水性较强的微孔层，微孔表层3是与微孔衬层2相比具有孔隙率较小和疏水性较弱的微孔层。所述的第一微孔层厚度为：5～10μm，孔隙率为：40％～50％；微孔表层3的厚度为10～15μm，孔隙率为：30％～40％。
一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
A、憎水化处理：将多孔碳纸在质量百分含量为1％～3％的PTFE乳液中浸渍，至碳纸中PTFE的增加量占总质量的10％～20％，然后经340℃焙烧，制得基底层1；
B、配制料浆：分别按照微孔衬层2和微孔表层3的用料比例，将碳粉、PTFE乳液、造孔剂以及适量的异丙醇在超声波中搅拌，配制成微孔衬层2和微孔表层3的浆料；
C、微孔层涂制：先将微孔衬层2的浆料涂制在经过憎水化处理的基底层1上，达到所需控制的厚度后，再使用微孔表层3的浆料，继续涂制到所要求的厚度；
D、高温下焙烧：将涂敷完浆料的基底层1在340℃高温下焙烧，就制得了双微孔层的气体扩散层。
本发明所述的基底层1采用大孔径的碳纸或碳布材料，再经PTFE疏水处理以及高温焙烧制得；疏水处理的基底材料的PTFE质量百分含量为10％～20％。所述的微孔层由导电碳粉、疏水剂以及造孔剂涂制后再经高温焙烧后制得；导电碳粉通常为Vulcan XC-72碳粉和乙炔黑或珍珠碳，造孔剂为碳酸铵、碳酸氢铵或草酸胺。所述的微孔衬层2制作后不经焙烧再直接进行微孔表层3的制作，微孔衬层2的孔隙率及疏水性高于微孔表层3。所述的微孔衬层2和微孔表层3的材料包括导电碳粉、疏水剂和造孔剂；其中，微孔衬层2中造孔剂的添加量占导电碳粉量的质量百分含量为200％～300％，浆料中PTFE的质量百分含量为40％～60％；微孔表层3中造孔剂的添加量占导电碳粉量的质量百分含量为50％～100％，浆料中PTFE的质量百分含量为10％～30％。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括基底层(1)和微孔层，其特征在于：所述的微孔层由微孔衬层(2)和微孔表层(3)组成；所述的微孔衬层(2)位于基底层(1)和微孔表层(3)之间，微孔衬层(2)是孔隙率较大和疏水性较强的微孔层，微孔表层(3)是与微孔衬层(2)相比具有孔隙率较小和疏水性较弱的微孔层。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于：所述的基底层(1)采用大孔径的碳纸或碳布材料，再经PTFE疏水处理以及高温焙烧制得；疏水处理后的基底材料中PTFE的质量百分含量10％～20％。
3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于：所述的微孔衬层厚度为5～10μm，孔隙率为40％～50％；微孔表层(3)的厚度为10～15μm，孔隙率为：30％～40％。
4.一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、憎水化处理：将多孔碳纸在质量百分含量为1％～3％的PTFE乳液中浸渍，至碳纸中PTFE的增加量占总质量的10％～20％，然后经340℃焙烧，制得基底层(1)；
B、配制料浆：分别按照微孔衬层(2)和微孔表层(3)的用料比例，将碳粉、PTFE乳液、造孔剂以及适量的异丙醇在超声波中搅拌，配制成微孔衬层(2)和微孔表层(3)的浆料；
C、微孔层涂制：先将微孔衬层(2)的浆料涂制在经过憎水化处理的基底层(1)上，达到所需控制的厚度后，再使用微孔表层(3)的浆料，继续涂制到所要求的厚度；
D、高温下焙烧：将涂敷完浆料的基底层(1)在340℃高温下焙烧，就制得了双微孔层的气体扩散层。
5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述的基底层(1)采用大孔径的碳纸或碳布材料，再经PTFE疏水处理以及高温焙烧制得；疏水处理的基底材料的PTFE质量百分含量为10％～20％。
6.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述的微孔层由导电碳粉、疏水剂以及造孔剂涂制后再经高温焙烧后制得；导电碳粉通常为Vulcan XC-72碳粉和乙炔黑或珍珠碳，造孔剂为碳酸铵、碳酸氢铵或草酸胺。
7.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述的微孔衬层(2)制作后不经焙烧再直接进行微孔表层(3)的制作，微孔衬层(2)的孔隙率及疏水性高于微孔表层(3)。
8.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述的微孔衬层(2)和微孔表层(3)的材料包括导电碳粉、疏水剂和造孔剂；其中，微孔衬层(2)中造孔剂的添加量占导电碳粉量的质量百分含量为200％～300％，浆料中PTFE的质量百分含量为40％～60％；微孔表层(3)中造孔剂的添加量占导电碳粉量的质量百分含量为50％～100％，浆料中PTFE的质量百分含量为10％～30％。
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