CN103401003B

CN103401003B - 质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法

Info

Publication number: CN103401003B
Application number: CN201310300060.0A
Authority: CN
Inventors: 陈佳; 顾军; 邹志刚; 黄林; 徐晓燕; 张峰; 雷杰; 雷一杰; 朱守圃
Original assignee: KUNSHAN SUNLAITE NEW ENERGY CO Ltd; Kunshan Innovation Institute of Nanjing University
Current assignee: Jiangsu Yanchang sanglaite new energy Co., Ltd; Kunshan Innovation Institute of Nanjing University
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-07-17
Also published as: CN103401003A

Abstract

本发明公开质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括基底与微孔层，所述基底为多孔金属网，所述多孔金属网表面设有电镀层，所述多孔金属网孔径为0.076‑0.4毫米，多孔金属网厚度为0.01‑0.4毫米；所述微孔层由炭黑浆料涂覆于碳纤维织物表面，基底与微孔层重叠后通过压合为一体。其制备方法，烧结的微孔层与一层或多层处理后的多孔金属丝网叠合后，进行压制，制备出以金属丝网为基底的气体扩散层。具有工艺简单，操作方便的优点。

Description

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

本发明属于质子交换膜燃料电池，具体涉及质子交换膜燃料电池的气体扩散层。

背景技术

气体扩散层是质子交换膜燃料电池的重要核心部件之一，在膜电极中起到水气传输、支撑催化层及收集电流的作用，因此，在质子交换膜燃料电池中起着关键性作用。气体扩散层组成包括基底与微孔层。目前，国内外燃料电池用气体扩散层的基底多采用碳纤维制备碳纸或碳布，将基底进行疏水、整平等预处理后，在其表面制备微孔层，制备方式主要由丝印、刮涂、喷涂等工艺。该方法制备的气体扩散层基底制备工艺繁琐，价格较高，进口价格每平方米约为300美金，且碳纸市场大部分被日本Toray公司、德国SGL公司、加拿大Ballard公司占领，严重影响国内扩散层的发展。

现有技术中，专利公开号CN101140990A、名称为一种电极气体扩散层在质子交换膜燃料电池的应用，采用金属网担载碳粉和疏水有机化合物，作为电极气体扩散层。制备方法为将金属网的一侧或两侧表面用碳粉及疏水有机化合物整平，经过在惰性气体保护下290-380℃高温处理，得到电极气体扩散层。其中微孔层的制备方式为采用喷涂、浸渍涂布、刮涂或丝网印刷的方法直接制备于基底表面，并一起焙烧。存在不足之处：①该技术采用金属网担载碳粉的方法对金属表面进行处理，由于金属网表面比较光滑，碳粉粘附力不强，容易脱落，使用过程中在水及大气流的冲击下，使得碳粉更易剥落，剥落的碳粉则容易堵塞微孔层气孔，影响膜电极水气传输，进而影响膜电极性能。②该技术的金属基底需进行疏水处理，一方面疏水处理需高温烧结，且为防止金属基底在高温条件下氧化需通入惰性气体保护，工艺复杂，耗时较久，不利于生产；另一方面疏水处理会降低金属网的导电性。③该技术采用在金属网表面直接喷涂、浸渍涂布、刮涂或丝网印刷的方法制备微孔层，首先，该方法对金属网的孔径要求较高，孔径不可过大，否则浆料容易发生渗漏；其次，金属网需与微孔层一起进行二次烧结，在不通用气氛的条件下，可能会导致部分氧化；再次，直接在金属网上制备微孔层，操作麻烦，不利于生产。专利公开号CN1323455C、名称为一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制作方法，工艺步骤为：(1)选取有机薄膜作为粘结剂，在膜下垫一层金属或非金属丝网加热；(2)将聚丙烯晴基的碳纤维均匀的散落在步骤(1)的处于半熔融态的有机薄膜上热压，形成结构材料-扩散层；(3)将导电粉与所需的其他材料混合成导电粉浆料，用印刷的方法将导电粉浆料均匀地转移到步骤(2)目的物---扩散层一面或两面上烘干；(4)将步骤(3)目的物的一片或多片热压加压，制成导电与气体扩散层材料。其扩散层基底材料为碳纤维材料。存在不足之处：①该技术采用碳纤维材料作为基底，价格较高，且碳纤维材料主要为碳纸或碳布，使用过程中极易损坏，且对运输过程要求较高。专利公开号CN102082277 B、一种用于燃料电池的金属气体扩散层及其制备方法，主要内容为：通过真空高温烧结的方法制备不锈钢短纤维烧结毡，然后采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术在经过预处理的不锈钢短纤维烧结毡上一次制备得到铬层和石墨层，再采用聚四氟乙烯对镀膜不锈钢短纤维烧结毡整体进行憎水处理，最后采用超声震荡方法进行表面碳粉涂覆，得到用于燃料电池的金属气体扩散层。存在不足之处：该方法制备的金属基体操作复杂，在金属纤维上采用离子镀制备隔层和石墨层，价格较高。聚四氟乙烯对金属表面进行疏水处理，会影响金属的导电性。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供了质子交换膜燃料电池用气体扩散层，具有工艺简单，操作方便的优点。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括基底与微孔层，所述基底为多孔金属网，所述多孔金属网表面设有电镀层，所述多孔金属网孔径为0.076-0.4毫米，多孔金属网厚度为0.01-0.4毫米；所述微孔层由炭黑浆料涂覆于碳纤维织物表面，基底与微孔层重叠后通过压合为一体，所述多孔金属丝网为冲孔网、编织网、拉伸网、激光打孔网、线切割网、粉末冶金网、铸造网、注塑网、泡沫网中的一种。

所述多孔金属网材质为钛、镍、不锈钢、金、银网、激光打孔钛板、镍板中的一种。

所述电镀层表面为：镀碳、钛、氮化钛、氮化铬、碳氮化铬、金、黑锌、黑镍中的一种。

本发明质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：

(1)对多孔金属网表面进行表面处理；

(2)将炭材料、分散剂配制成分散均匀的浆料后，添加疏水剂、亲水材料、造孔剂、增稠剂将浆料制备成具有粘度的炭材料浆料；其中，所加物质重量比例为炭材料2～5：分散剂0.6～3：疏水剂0.35～3.5：亲水材料0.2～5：造孔剂0.2～5：增稠剂10～50；

其中炭材料为科琴黑、乙炔黑、卡博特XC-72R、珍珠黑、导电炭黑、碳纳米管中的一种或几种；

分散剂为聚乙二醇异辛基苯基醚、失水山梨醇硬脂酸酯聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种；

疏水剂为聚四氟乙烯、聚偏四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯溶液中的一种或几种的混合溶液；

亲水材料为二氧化硅、氧化铝粉末、氧化铝纤维粉中的一种或多种混合；

造孔剂为氯化铵、碳酸氢铵、草酸铵中的一种或多种混合；

增稠剂为羟甲基纤维素钠、聚乙二醇中的一种或多种混合；

(3)将制备的炭材料浆料采用丝网印刷/刮涂方式制备在碳纤维织物上，烘干烧结制得微孔层；

(4)将烧结的微孔层与一层或多层处理后的多孔金属丝网叠合后，进行压制，制备出以金属丝网为基底的气体扩散层。

其中步骤(3)碳纤维织物厚度为0.002－0.05毫米，微孔层制备厚度为0.03-0.15毫米，烧结温度为200℃-400℃。

与现有技术相比较，本发明具有如下的有益效果：

①采用多孔金属材料代替碳纤维材料等作为扩散层基底，具有材料来源广泛，制备工艺简单，价格低廉，较高的机械强度，不易破碎，可有效起到支撑作用，并具有优良的导电性能。

②该多孔金属材料孔径要求较低具有均一性，且防止了浆料渗透到基底的现象，不会发生碳纸/碳布等材料中出现凝结水导致水淹的现象；孔径范围利于水气传输，不需对其进行疏水处理，防止了高温烧结对多孔金属造成的氧化，减少了制备工艺。

③疏水剂加入聚四氟乙烯降低基底材料的导电性。

④采用微孔层与多孔金属材料分别制备，采用压合方式制备气体扩散层，有利于大规模生产。

附图说明

图1是本发明质子交换膜燃料电池的气体扩散层的示意图；

图2是本发明金属丝网扩散层制备的膜电极极化扫描图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括基底1与微孔层2，所述基底1为多孔金属网，所述多孔金属网表面设有电镀层11，所述多孔金属网孔径为0.05-0.4毫米，多孔金属网厚度为0.01-0.4毫米；所述微孔层2由炭黑浆料21涂覆于碳纤维织物表面，基底与微孔层重叠后通过压合为一体。所述多孔金属丝网为冲孔网、编织网、拉伸网、激光打孔网、线切割网、粉末冶金网、铸造网、注塑网、泡沫网中的一种。

本发明质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法如下：

实施例1

(1)采用孔径为0.15mm，厚度为0.2mm的镍网作为基底，对其表面进行清洗后，采用真空蒸镀法在其表面镀一层厚度为0.003毫米的碳，制备得气体扩散层的基底。

(2)①称取10g乙炔黑，采用细胞粉碎的方式将其逐渐分散于40ml 5％的X-100中；②称取7.14g 60％的PTFE溶液,加4g水稀释后，逐滴加入①乙炔黑浆料中，配制成PTFE载量为30％的浆料；③取称二氧化硅8g，氯化铵8g，溶解于②中；④取20g PEG-600滴加入到上述③中，滴加完毕后，超声30min，制得炭材料浆料。

(3)将制备的炭材料浆料采用刮涂的方式在0.003毫米厚的碳纤维织物上制备微孔层，微孔层刮涂厚度为0.1毫米，将刮涂完毕的微孔层置于340℃烧结炉中烧结30min。

(4)将制备的微孔层与表面处理后的一层多孔金属材料叠合后，在110℃、0.5MPa的条件下压合2min，即可得到以多孔金属为基底的气体扩散层。

(5)将阴阳极载量均为0.4mg/cm²的催化剂涂覆膜与金属基底的气体扩散层组合后，在110℃下压合制备出膜电极。

(6)对采用金属丝网扩散层制备的膜电极进行单电池极化扫描(如图2)，其中测试条件为：电池温度45℃，H2压力0.04MPa，空气计量比为8.2，阴阳极加湿温度分别为20℃、不增湿，阳极采用dead-end测试方式。

实施例2

(1)采用孔径为0.3mm，厚度为0.15mm的镍网作为基底，对其表面进行清洗后，采用真空蒸镀法在其表面镀一层厚度约为0.003毫米的碳，得到气体扩散层的基底。

(2)①称取15g乙炔黑，采用细胞粉碎的方式将其逐渐分散于90ml 3％的X-100中；②称取6.24g 60％的PTFE溶液,加3g水稀释后，逐滴加入①乙炔黑浆料中，配制成PTFE载量为20％的浆料；③取称二氧化硅9g，氯化铵9g，溶解于②中；④取36g PEG-600滴加入到上述③中，滴加完毕后，超声30min，制得炭材料浆料。

(3)将制备的炭材料浆料采用刮涂的方式在0.006毫米厚的碳纤维织物上制备微孔层，微孔层刮涂厚度为0.12毫米，将刮涂完毕的微孔层置于340℃烧结炉中烧结30min。

(4)将制备的微孔层与表面处理后的一层多孔金属材料叠合后，在110℃、0.5MPa的条件下压合2min，既可得到以多孔金属为基底的气体扩散层。

(6)对采用金属丝网扩散层制备的膜电极进行单电池极化扫描，其中测试条件为：电池温度45℃，H2压力0.04MPa，空气计量比为8.2，阴阳极加湿温度分别为20℃、不增湿，阳极采用dead-end测试方式。

以上所述仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：

（1）对多孔金属网表面进行表面处理；

（2）将炭材料、分散剂配制成分散均匀的浆料后，添加疏水剂、亲水材料、造孔剂、增稠剂将浆料制备成具有粘度的炭材料浆料；其中，所加物质重量比例为炭材料2～5：分散剂0.6 ～3：疏水剂0.35～3.5：亲水材料0.2～5：造孔剂0.2～5：增稠剂10～50；

其中炭材料为导电炭黑、石墨粉、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种；

疏水剂为聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯溶液中的一种或几种的混合溶液；

亲水材料为二氧化硅、氧化铝粉末中的一种或多种混合；

造孔剂为氯化铵、碳酸氢铵、草酸铵中的一种或多种混合；

增稠剂为羟甲基纤维素钠、聚乙二醇中的一种或多种混合；

（3）将制备的炭材料浆料采用丝网印刷/刮涂方式制备在碳纤维织物上，烘干烧结制得微孔层；

（4）将烧结的微孔层与一层或多层处理后的多孔金属丝网叠合后，进行压制，制备出以金属丝网为基底的气体扩散层。

2.如权利要求1所述的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：其中步骤（3）中的碳纤维织物厚度为0.002－0.05毫米，微孔层制备厚度为0.03-0.15毫米，烧结温度为200℃-400℃。