CN118281236A - 定向排水燃料电池电极及其制备方法、燃料电池 - Google Patents
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Abstract
本申请属于电池技术领域，尤其涉及一种定向排水燃料电池电极及其制备方法、燃料电池。其中，定向排水燃料电池电极，包括叠层设置的催化层和扩散层，所述扩散层包括泡沫金属和负载在所述泡沫金属中的疏水材料；沿所述扩散层远离所述催化层的方向，所述疏水材料在所述扩散层中的负载量逐级递增。扩散层的浸润性呈梯度结构变化，促进电极中液滴的定向运输，使水在电极疏水性梯度的作用下，可以快速通过电极进入流场，在空气吹扫下离开电池，实现对电极内的水定向排除的效果。进而满足燃料电池系统中对水及时排除的要求，提高燃料电池反应时的水排除通量，有效改善燃料电池多孔电极的水淹问题，提高燃料电池的运行稳定性和运行时间。
Description
技术领域
本申请属于电池技术领域，尤其涉及一种定向排水燃料电池电极及其制备方法、燃料电池。
背景技术
燃料电池是一种具有产物清洁、功率密度和能量转化率高等优点的能量转换装置，在碳中和趋势下具备广阔的应用前景。在燃料电池中，水也经常作为反应物或生成物参与燃料电池反应。对于低温燃料电池，水管理对于提升电池性能和稳定性至关重要。当燃料电池长期运行时，其中的水无法有效扩散或排出时，水会在多孔电极中积累，导致电极出现水淹现象，进而影响燃料电池的性能。尤其是燃料电池的阴极容易出现水淹现象造成性能衰降。
当前燃料电池中使用的碳纸、碳布、泡沫金属骨架等商业扩散层制备的传统双层电极无法定向将水排出，电极中容易出现水淹现象，从而影响电池性能。
发明内容
本申请的目的在于提供一种定向排水燃料电池电极及其制备方法，以及一种燃料电池，旨在一定程度上解决现有燃料电池电极水扩散、排出效果差，容易出现水淹现象，影响电池性能的问题。
为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种方面提供一种定向排水燃料电池电极，包括叠层设置的催化层和扩散层，所述扩散层包括泡沫金属和负载在所述泡沫金属中的疏水材料；沿所述扩散层远离所述催化层的方向，所述疏水材料在所述扩散层中的负载量逐级递增。
第二方面，本申请提供一种定向排水燃料电池电极的制备方法，包括以下制备步骤：
制备催化层；
获取泡沫金属，在所述泡沫金属中负载疏水材料，得到扩散层，且所述疏水材料在所述扩散层中的负载量逐级递增；
将所述扩散层中所述疏水材料负载量低的一侧表面与所述催化层贴合设置，得到定向排水燃料电池电极。
第三方面，本申请提供一种燃料电池，所述燃料电池中包括上述方法制备的定向排水燃料电池电极，或者上述的定向排水燃料电池电极。
本申请第一方面提供的定向排水燃料电池电极，包括叠层设置的催化层和扩散层，所述扩散层包括泡沫金属和负载在所述泡沫金属中的疏水材料。其中，泡沫金属不但在燃料电池的碱性环境中稳定性好，导电性好，机械强度高；而且具有分布均匀且细腻的多孔结构，为燃料电池中水、气等产物提供充足的扩散通道。另外，泡沫金属中负载有疏水材料，且沿所述扩散层远离所述催化层的方向所述疏水材料在所述扩散层中的负载量逐级递增，即扩散层中越靠近催化层的位置疏水材料负载量越低，越远离催化层扩散层的疏水效果越好。疏水性越强的扩散层多孔结构液态水穿越快，快速通过电极进入流场，之后在空气吹扫下离开电池，可以加快液态水排除。同时靠近催化层的疏水性相对较低，可以保证水能够穿过离子交换层进行传输，确保了燃料电池电极的反应。扩散层的浸润性呈梯度结构变化，促进电极中液滴的定向运输，实现对电极内的水定向排除的效果。进而满足燃料电池系统中对水及时排除的要求，提高燃料电池反应时的水排除通量，有效改善燃料电池多孔电极的水淹问题，提高燃料电池的运行稳定性和运行时间。
本申请第二方面提供的定向排水燃料电池电极的制备方法，采用泡沫金属作为扩散层的基材，泡沫金属不但在燃料电池的碱性环境中稳定性好，导电性好，机械强度高；而且具有分布均匀且细腻的多孔结构，为燃料电池中水、气等产物提供充足的扩散通道。在泡沫金属中负载疏水材料，使疏水材料在所述扩散层中的负载量逐级递增，将制得的扩散层中疏水材料负载量低的一侧表面与所述催化层贴合设置，使扩散层中越靠近催化层的位置疏水材料负载量越低，越远离催化层扩散层的疏水效果越好，有利于液态水快速穿越电极进入流场，之后在空气吹扫下离开电池。从而使扩散层的浸润性呈梯度结构变化，促进电极中液滴的定向运输，实现对电极内的水定向排除的效果，提高燃料电池反应时的水排除通量，有效改善燃料电池多孔电极的水淹问题，提高燃料电池的运行稳定性和运行时间。本申请提供的定向排水燃料电池电极的制备方法，制作过程简单，制备成本低，无环境污染。
本申请第三方面提供的燃料电池，采用上述定向排水燃料电池电极，实现对电极内的水定向排除的效果，提高燃料电池反应时的水排除通量，有效改善燃料电池多孔电极的水淹问题，提高燃料电池的运行稳定性和运行时间。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的定向排水燃料电池电极的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的定向排水燃料电池电极的制备方法的流程示意图；
图3是本申请实施例提供的燃料电池的结构示意图；
图4是本申请实施例1和对比例1提供的燃料电池在空气流速固定在50SCCM时的运行测试图；
图5是本申请实施例1和对比例1提供的燃料电池在空气流速固定在5SCCM时的运行测试图。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a，b或c中的至少一项(个)”，或，“a，b和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a，b，c，a-b(即a和b)，a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请说明书实施例中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请说明书实施例相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请说明书实施例公开的范围之内。具体地，本申请说明书实施例中的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本申请实施例第一方面提供一种定向排水燃料电池电极，包括叠层设置的催化层和扩散层，扩散层包括泡沫金属和负载在泡沫金属中的疏水材料；沿扩散层远离催化层的方向，疏水材料在扩散层中的负载量逐级递增。
本申请实施例第一方面提供的定向排水燃料电池电极，包括叠层设置的催化层和扩散层，扩散层包括泡沫金属和负载在泡沫金属中的疏水材料。其中，泡沫金属不但在燃料电池的碱性环境中稳定性好，导电性好，机械强度高；而且具有分布均匀且细腻的多孔结构，为燃料电池中水、气等产物提供充足的扩散通道。另外，泡沫金属中负载有疏水材料，且沿扩散层远离催化层的方向疏水材料在扩散层中的负载量逐级递增，即扩散层中越靠近催化层的位置疏水材料负载量越低，越远离催化层扩散层的疏水效果越好。疏水性越强的扩散层多孔结构液态水穿越快，快速通过电极进入流场，之后在空气吹扫下离开电池，可以加快液态水排除。同时靠近催化层的疏水性相对较低，可以保证水能够穿过离子交换层进行传输，确保了燃料电池电极的反应。扩散层的浸润性呈梯度结构变化，促进电极中液滴的定向运输，实现对电极内的水定向排除的效果。进而满足燃料电池系统中对水及时排除的要求，提高燃料电池反应时的水排除通量，有效改善燃料电池多孔电极的水淹问题，提高燃料电池的运行稳定性和运行时间。
在一些可能的实现方式中，定向排水燃料电池电极既可以是阳极也可以是阴极。由于燃料电池阴极更容易出现水淹现象造成燃料电池性能衰降的问题，因而本申请实施例提供的定向排水燃料电池电极更适宜作为燃料电池的阴极使用。
在一些可能的实现方式中，疏水材料在扩散层中的负载量为2～8mg/cm2；基于仿生原理，疏水材料的该负载量能够使扩散层呈现类似于荷叶表面对液滴的定向运输效果，使得燃料电池电极将促进液滴定向运输，进而满足燃料电池系统中对水及时排除的要求，实现燃料电池的长时间稳定运行。在一些具体实施例中，沿扩散层远离催化层的方向，疏水材料在扩散层中的负载量在2～8mg/cm2范围内呈逐级递增趋势，负载量越高，疏水性越强。具体地可以以2～3mg/cm2、3～5mg/cm2、5～8mg/cm2等梯度递增。
在一些可能的实现方式中，扩散层的厚度为0.2～0.8mm，孔隙率为95～98％，平均孔径为200～300μm；在这种情况下，既确保了扩散层的机械力学性能和导电性能；又确保扩散层具有丰富且细密的多孔结构，为气体和液体的扩散提供充足的通道。
在一些可能的实现方式中，泡沫金属选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛中的至少一种；这些泡沫金属在燃料电池的碱性环境中稳定性好，导电性好，机械强度高；而且这些泡沫金属中具有分布均匀且细腻的多孔结构，为燃料电池中水、气等产物提供充足的扩散通道。
在一些可能的实现方式中，疏水材料选自聚四氟乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚氨酯中的至少一种。这些材料负载到泡沫金属中均能够提高泡沫金属的疏水性，负载量越高，疏水性越强。
在一些可能的实现方式中，催化层包括多孔金属基材和负载在基材中的催化剂和第二疏水材料；且第二疏水材料在催化层中的负载量不高于扩散层中靠近催化层一侧的负载量。其中，多孔金属基材不但可以提供催化剂负载骨架，而且可以减少物质传输阻力，提升电化学活性面积，提高催化性能。第二疏水材料不但作为粘结剂将催化剂稳定的结合在多孔金属基材的镍骨架上形成催化层，而且可能会形成更多的三相界面，促进电极反应，提升电池的电化学性能。另外，催化层中第二疏水材料的负载量不高于扩散层中靠近催化层一侧的负载量，确保由催化层和扩散层构成的电池电极的疏水性/浸润性呈梯度变化结构，从而使电极对液态水实现定向运输效果。在燃料电池电极中沿催化层往扩散层的方向，疏水性呈递增趋势，使燃料电池中水能够及时排出，有效改善燃料电池多孔电极的水淹问题，提高燃料电池的运行稳定性和运行寿命。
在一些可能的实现方式中，催化层中，催化剂的负载量为1～5mg/cm2；该负载量充分确保了催化层的催化效果。在一些具体实施例中，催化层中，催化剂的负载量可以是1～2mg/cm2、2～3mg/cm2、3～4mg/cm2、4～5mg/cm2等。
在一些可能的实现方式中，催化层中，第二疏水材料的负载量为1～2mg/cm2；催化层中第二疏水材料的该负载量，既能够使催化剂充分稳定地结合在多孔金属基材的骨架中，又使催化层与扩散层的疏水性呈梯度变化结构，有利于液体水的定向排除。同时，有利于催化层中形成更多的三相界面，促进电极反应，提升电池的电化学性能。若催化层中疏水材料负载量过高，则会导致催化层疏水性过高，不利于水的过膜传输，即不利于水通过离子交换层参数电极反应。在一些具体实施例中，催化层中，第二疏水材料的负载量为1mg/cm2、2mg/cm2等。
在一些可能的实现方式中，催化层的厚度为0.2～0.4mm，孔隙率为95～98％，平均孔径为200～300μm；在这种情况下，既确保了催化层的机械力学性能和导电性能；又确保催化层具有丰富且细密的多孔结构，提高催化剂的分布均匀性和分散性，有利于减少物质传输阻力，提升电化学活性面积，提高催化性能。同时也能为气体和液体的扩散提供充足的通道。
在一些可能的实现方式中，多孔金属基材选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛中的至少一种；这些泡沫金属在燃料电池的碱性环境中稳定性好，导电性好，机械强度高；而且这些泡沫金属中具有分布均匀且细腻的多孔结构，不但能为催化剂的附着提供充分的位点，有利于提高电化学活性面积，提高催化活性，而且燃料电池中水、气等产物提供充足的扩散通道。
在一些可能的实现方式中，催化剂包括碳载铂、碳载金、碳载铂金中的至少一种；这些金属催化剂均有较高的催化活性，能够较好的催化燃料电池电极中的氧化还原反应，确保燃料电池的运行。
在一些可能的实现方式中，第二疏水材料选自聚四氟乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚氨酯中的至少一种。这些第二疏水材料，不但作为粘结剂将催化剂稳定的结合在多孔金属基材的镍骨架上形成催化层，而且可能会形成更多的三相界面，促进电极反应，提升电池的电化学性能。
在一些可能的实现方式中，扩散层包括两个子扩散层，其中，第一子扩散层贴合催化层设置，第二子扩散层设置在第一子扩散层背离催化层的侧表面；第二子扩散层中疏水材料的负载量高于第一子扩散层；第一子扩散层中疏水材料的负载量高于催化层中第二疏水材料的负载量。在一些具体实施例中，催化层的厚度为0.2～0.4mm，孔隙率为95～98％，平均孔径为200～300μm，催化层中疏水材料的负载量为1～2mg/cm2，催化剂的负载量为1～5mg/cm2；第一子扩散层的厚度为0.2～0.4mm，孔隙率为95～98％，平均孔径为200～300μm，第一子扩散层中疏水材料的负载量为2～4mg/cm2；第二子扩散层的厚度为0.2～0.4mm，孔隙率为95～98％，平均孔径为200～300μm，第二子扩散层中疏水材料的负载量为2～4mg/cm2。
在一些可能的实现方式中，定向排水燃料电池电极的结构示意图如附图1所示，包括催化层和扩散层，其中，催化层包括多孔金属基材和负载在基材中的催化剂和第二疏水材料；扩散层包括贴合催化层设置的第一子扩散层和第二子扩散层；第二子扩散层中疏水材料的负载量高于第一子扩散层；第一子扩散层中疏水材料的负载量高于催化层中第二疏水材料的负载量。
本申请上述实施例中定向排水燃料电池电极可通过以下实施例方法制得。
如附图2所示，本申请实施例第二方面提供一种定向排水燃料电池电极的制备方法，包括以下制备步骤：
S10.制备催化层；
S20.获取泡沫金属，在泡沫金属中负载疏水材料，得到扩散层，且疏水材料在扩散层中的负载量逐级递增；
S30.将扩散层中疏水材料负载量低的一侧表面与催化层贴合设置，得到定向排水燃料电池电极。
本申请实施例第二方面提供的定向排水燃料电池电极的制备方法，采用泡沫金属作为扩散层的基材，泡沫金属不但在燃料电池的碱性环境中稳定性好，导电性好，机械强度高；而且具有分布均匀且细腻的多孔结构，为燃料电池中水、气等产物提供充足的扩散通道。在泡沫金属中负载疏水材料，使疏水材料在扩散层中的负载量逐级递增，将制得的扩散层中疏水材料负载量低的一侧表面与催化层贴合设置，使扩散层中越靠近催化层的位置疏水材料负载量越低，越远离催化层扩散层的疏水效果越好，有利于液态水快速穿越电极进入流场，之后在空气吹扫下离开电池。从而使扩散层的浸润性呈梯度结构变化，促进电极中液滴的定向运输，实现对电极内的水定向排除的效果，提高燃料电池反应时的水排除通量，有效改善燃料电池多孔电极的水淹问题，提高燃料电池的运行稳定性和运行时间。本申请实施例提供的定向排水燃料电池电极的制备方法，制作过程简单，制备成本低，无环境污染。
在一些可能的实现方式中，上述步骤S10中，制备催化层的步骤包括：将催化剂和第二疏水材料配制成混合溶液后，对多孔金属基材进行浸渍处理，得到催化层；第二疏水材料在催化层中的负载量不高于扩散层中靠近催化层一侧的负载量。其中，混合溶液中溶剂包括但不限于乙醇、甲醇等醇溶剂，也可以采用其他对催化剂和第二疏水材料具有较好分散、溶解性能的溶剂。以多孔金属作为催化层的基材，不但可以提供催化剂负载骨架，而且可以减少物质传输阻力，提升电化学活性面积，提高催化性能。将催化剂和第二疏水材料配制成混合溶液后，对多孔金属基材进行浸渍处理，干燥后使催化剂和第二疏水材料负载到多孔金属基材上。其中，第二疏水材料不但作为粘结剂将催化剂稳定的结合在多孔金属基材的镍骨架上形成催化层，而且可能会形成更多的三相界面，促进电极反应，提升电池的电化学性能。另外，催化层中第二疏水材料的负载量不高于扩散层中靠近催化层一侧的负载量，确保由催化层和扩散层构成的电池电极的疏水性/浸润性呈梯度变化结构，沿催化层往扩散层的方向，疏水性呈递增趋势，从而使电极对液态水实现定向运输效果，使燃料电池中水能够及时排出，有效改善燃料电池多孔电极的水淹问题，提高燃料电池的运行稳定性和运行寿命。
在一些可能的实现方式中，混合溶液中，催化剂的浓度为30～50wt％，第二疏水材料的浓度为5～10wt％；混合溶液中，催化剂和第二疏水材料的该浓度范围，有利于均匀稳定的负载到多孔金属基材中。
在一些可能的实现方式中，催化层中，催化剂的负载量为1～5mg/cm2；该负载量充分确保了催化层的催化效果。
在一些可能的实现方式中，催化层中，第二疏水材料的负载量为1～2mg/cm2；催化层中第二疏水材料的该负载量，既能够使催化剂充分稳定地结合在多孔金属基材的骨架中，又使催化层与扩散层的疏水性呈梯度变化结构，有利于液体水的定向排除。同时，有利于催化层中形成更多的三相界面，促进电极反应，提升电池的电化学性能。若催化层中疏水材料负载量过高，则会导致催化层疏水性过高，不利于水的过膜传输，即不利于水通过离子交换层参数电极反应。
在一些可能的实现方式中，催化剂包括碳载铂、碳载金、碳载铂金中的至少一种；这些金属催化剂均有较高的催化活性，能够较好的催化燃料电池电极中的氧化还原反应，确保燃料电池的运行。
在一些可能的实现方式中，催化层的厚度为0.2～0.4mm，孔隙率为95～98％，平均孔径为200～300μm；在这种情况下，既确保了催化层的机械力学性能和导电性能；又确保催化层具有丰富且细密的多孔结构，提高催化剂的分布均匀性和分散性，有利于减少物质传输阻力，提升电化学活性面积，提高催化性能。同时也能为气体和液体的扩散提供充足的通道。
在一些可能的实现方式中，多孔金属基材选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛中的至少一种；这些泡沫金属在燃料电池的碱性环境中稳定性好，导电性好，机械强度高；而且这些泡沫金属中具有分布均匀且细腻的多孔结构，不但能为催化剂的附着提供充分的位点，有利于提高电化学活性面积，提高催化活性，而且燃料电池中水、气等产物提供充足的扩散通道。
在一些可能的实现方式中，第二疏水材料选自聚四氟乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚氨酯中的至少一种。这些第二疏水材料，不但作为粘结剂将催化剂稳定的结合在多孔金属基材的镍骨架上形成催化层，而且可能会形成更多的三相界面，促进电极反应，提升电池的电化学性能。
在一些可能的实现方式中，上述步骤S20中，在泡沫金属中负载疏水材料的步骤包括：将疏水材料配置成溶液后，对泡沫金属进行浸渍处理，干燥使疏水材料负载到泡沫金属中。其中，配制溶液的溶剂包括但不限于乙醇、甲醇等醇类溶剂，或对疏水材料有较好溶解性的其他溶剂均可。采用疏水材料的溶液对泡沫金属进行浸渍处理，干燥后使疏水材料负载在泡沫金属骨架中。
在一些可能的实现方式中，疏水材料的浓度为5～20wt％；该浓度范围的疏水材料既能够确保溶液的稳定性，又有利于疏水材料在泡沫金属骨架中的负载量。在一些具体实施例中，疏水材料的浓度可以是5～10wt％、10～15wt％、15～20wt％等。
在一些可能的实现方式中，疏水材料在扩散层中的负载量为2～8mg/cm2；疏水材料的该负载量能够使扩散层呈现类似于荷叶表面对液滴的定向运输效果，使得燃料电池电极将促进液滴定向运输，进而满足燃料电池系统中对水及时排除的要求，实现燃料电池的长时间稳定运行。
在一些可能的实现方式中，扩散层的厚度为0.2～0.8mm，孔隙率为95～98％，平均孔径为200～300μm；在这种情况下，既确保了扩散层的机械力学性能和导电性能；又确保扩散层具有丰富且细密的多孔结构，为气体和液体的扩散提供充足的通道。
在一些可能的实现方式中，泡沫金属选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛中的至少一种；这些泡沫金属在燃料电池的碱性环境中稳定性好，导电性好，机械强度高；而且这些泡沫金属中具有分布均匀且细腻的多孔结构，为燃料电池中水、气等产物提供充足的扩散通道。
在一些可能的实现方式中，疏水材料选自聚四氟乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚氨酯中的至少一种。这些材料负载到泡沫金属中均能够提高泡沫金属的疏水性，负载量越高，疏水性越强。
在一些可能的实现方式中，疏水材料在扩散层中的负载量逐级递增的方法包括：采用不同浓度的疏水材料溶液分别对不同的泡沫金属进行浸渍处理，不同浓度的疏水材料溶液在泡沫金属骨架中的负载量不同，在疏水材料能够形成均匀稳定的溶液的浓度范围内，疏水材料的浓度越高越有利于提高泡沫金属中疏水材料的负载量，从而得到不同负载量的泡沫金属，然后，将不同负载量的泡沫金属按负载量的多少依次进行叠层组合，便可得到疏水材料的负载量逐级递减的扩散层。
在一些具体实施例中，采用浓度为5～10wt％的疏水材料溶液对泡沫金属进行浸渍处理，干燥得到第一子扩散层；采用浓度为10～20wt％的疏水材料溶液，对泡沫金属进行浸渍处理，干燥得到第二子扩散层。将第一子扩散层和第二子扩散层叠层组合，得到疏水材料的负载量逐级递减的扩散层。
在另一些可能的实现方式中，疏水材料在扩散层中的负载量逐级递增的方法包括：通过疏水材料的溶液对不同泡沫金属进行不同次数的浸渍处理，通过浸渍次数的增加，增加疏水材料在泡沫金属骨架中的负载量，从而得到不同负载量的泡沫金属。然后，将不同负载量的泡沫金属按负载量的多少依次进行叠层组合，便可得到疏水材料的负载量逐级递减的扩散层。
在一些具体实施例中，采用浓度为5～20wt％的疏水材料溶液对第一泡沫金属进行一次浸渍处理，干燥得到第二子扩散层。采用相同浓度的疏水材料溶液对第二泡沫金属进行两次浸渍处理，干燥得到第二子扩散层。采用相同浓度的疏水材料溶液对第三泡沫金属进行三次浸渍处理，干燥得到第三子扩散层。将第一子扩散层、第二子扩散层和第三子扩散层依次叠层组合，得到疏水材料的负载量逐级递减的扩散层。
在一些可能的实现方式中，上述步骤S30中，将扩散层中疏水材料负载量低的一侧表面与催化层贴合设置，得到定向排水燃料电池电极。在实际应用过程中，由于电极在燃料电池中位于离子交换层与流场之间，通过相邻层之间的夹合可以使催化层和扩散层紧密贴合，保证解耦股稳定性。
本申请实施例第三方面提供一种燃料电池，燃料电池中包括上述方法制备的定向排水燃料电池电极，或者上述的定向排水燃料电池电极。
本申请实施例第三方面提供的燃料电池，采用上述定向排水燃料电池电极，实现对电极内的水定向排除的效果，提高燃料电池反应时的水排除通量，有效改善燃料电池多孔电极的水淹问题，提高燃料电池的运行稳定性和运行时间。
在一些可能的实现方式中，由于燃料电池阴极更容易出现水淹现象造成燃料电池性能衰降的问题，因而上述实施例提供的定向排水燃料电池电极更适宜作为燃料电池的阴极使用。
在一些可能的实现方式中，燃料电池的结构示意图如附图3所示，包括依次叠层设置的燃料电池阳极扩散层、阳极催化层、离子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层，其中，由阴极催化层和阴极扩散层构成的燃料电池阴极采用本申请上述实施例提供的具有定向排水功能的燃料电池电极。燃料从阳极流场进入阳极发生氧化反应，产生的电荷载体通过离子交换膜进入阴极发生还原反应，反应过程中释放出电子，通过负载被引出到阴极，产生了电能。燃料电池运行过程中电极产生的水分被及时排出到电极，显著提高燃料电池运行稳定性。
为使本申请上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本申请实施例定向排水燃料电池电极及其制备方法、燃料电池的进步性能显著的体现，以下通过多个实施例来举例说明上述技术方案。
实施例1
一种定向排水燃料电池电极，其结构示意图如附图1所示，包括催化层和扩散层，其中扩散层包括第一子扩散层和第二子扩散层。
其制备包括步骤：
1、配置质量浓度40wt％的碳载铂、5wt％聚四氟乙烯的乙醇混合溶液，采用该混合溶液对长宽高为2.0cm×2.0cm×0.3mm的泡沫镍进浸泡处理，干燥得到催化层，厚度为0.3mm，孔隙率为95％，平均孔径约为200μm，碳载铂的负载量为1mg/cm2，聚四氟乙烯的负载量为1mg/cm2。
2、配置质量浓度5wt％聚四氟乙烯的乙醇溶液，采用该混合溶液对长宽高为2.0cm×2.0cm×0.3mm的泡沫镍进浸泡处理后，干燥进行第二次浸泡处理，再次干燥，得到第一子扩散层，厚度为0.3mm，孔隙率为95％，平均孔径约为200μm，聚四氟乙烯的负载量为2mg/cm2。
3、配置质量浓度5wt％聚四氟乙烯的乙醇溶液，采用该混合溶液对长宽高为2.0cm×2.0cm×0.3mm的泡沫镍进浸泡处理后，干燥进行第二次浸泡处理，再次干燥进行第三次浸泡处理，干燥得到第二子扩散层，厚度为0.3mm，孔隙率为95％，平均孔径约为200μm，聚四氟乙烯的负载量为3mg/cm2。
4、将催化层、第一子扩散层和第二子扩散层按顺序依次组合成型，得到定向排水燃料电池电极。
一种燃料电池，其结构示意图如附图3所示，包括依次叠层设置的阳极碳纸扩散层、PtRu/C阳极催化层(4.5mg/cm2，Pt：Ru＝1:1)、Fμmasep FAS-50离子交换膜、以实施例1制备的定向排水燃料电池电极作为阴极。氨燃料从阳极流场进入阳极发生氧化反应，产生的质子通过离子交换膜到达阴极，与从阴极流场中进入的还原剂发生还原反应。阴极中产生的水分及时被具有定向排水功能的阴极排出电极。在氨燃料的分解过程中在氨燃料的分解过程中释放出电子，通过负载被引出到阴极，产生了电能。
对比例1
一种氨燃料电池，其与实施例1的区别在于：阴极扩散层采用东丽公司的商业亲水碳布，型号为TGP-H-090。
进一步的，为了验证本申请实施例的进步性，对实施例1和对比例1制备的燃料电池在温度为80℃、放电电流密度为20mA/cm2的条件下运行，分别对燃料电池的稳定性进行对比验证，测试结果如附图4和5所示。
当空气流速固定在50SCCM时，如图4所示，对比例1使用传统电极的电池电压从0.64V开始迅速下降，仅能够进行3小时的放电。而采用本申请实施例1具有浸润性梯度的多孔电极制备的燃料电池，电池电压从0.65V以稳定的速率下降，实现了21小时的稳定放电。
另外，由于空气流速快可以把滞留在多孔电极的水吹扫出电池，有利于保证电池性能稳定，而流速慢则难以将电极中水吹扫离开电池，更容易发生水淹现象。当空气流速下降到5SCCM时，如图5所示，在水淹现象更易发生的情况下，使用本申请实施例1具有浸润性梯度的多孔电极制备的燃料电池，电池电压可以稳定在0.33V。显著高于对比例1使用传统电极的电池电压，对比例1电池电压表现得极不稳定，且下降速率快。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种定向排水燃料电池电极，其特征在于，包括叠层设置的催化层和扩散层，所述扩散层包括泡沫金属和负载在所述泡沫金属中的疏水材料；沿所述扩散层远离所述催化层的方向，所述疏水材料在所述扩散层中的负载量逐级递增。
2.如权利要求1所述的定向排水燃料电池电极，其特征在于，所述疏水材料在所述扩散层中的负载量为2～8mg/cm2；
和/或，所述扩散层的厚度为0.2～0.8mm，孔隙率为95～98％，平均孔径为200～300μm；
和/或，所述泡沫金属选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛中的至少一种；
和/或，所述疏水材料选自聚四氟乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚氨酯中的至少一种。
3.如权利要求1或2所述的定向排水燃料电池电极，其特征在于，所述催化层包括多孔金属基材和负载在所述基材中的催化剂和第二疏水材料；且所述第二疏水材料在所述催化层中的负载量不高于所述扩散层中靠近所述催化层一侧的负载量。
4.如权利要求3所述的定向排水燃料电池电极，其特征在于，所述催化层中，所述催化剂的负载量为1～5mg/cm2；
和/或，所述催化层中，所述第二疏水材料的负载量为1～2mg/cm2；
和/或，所述催化层的厚度为0.2～0.4mm，孔隙率为95～98％，平均孔径为200～300μm；
和/或，所述多孔金属基材选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛中的至少一种；
和/或，所述催化剂包括碳载铂、碳载金、碳载铂金中的至少一种；
和/或，所述第二疏水材料选自聚四氟乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚氨酯中的至少一种。
5.如权利要求4所述的定向排水燃料电池电极，其特征在于，所述扩散层包括两个子扩散层，其中，第一子扩散层贴合所述催化层设置，第二子扩散层设置在所述第一子扩散层背离所述催化层的侧表面；所述第二子扩散层中所述疏水材料的负载量高于所述第一子扩散层；所述第一子扩散层中所述疏水材料的负载量高于所述催化层中所述第二疏水材料的负载量。
6.一种定向排水燃料电池电极的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
制备催化层；
获取泡沫金属，在所述泡沫金属中负载疏水材料，得到扩散层，且所述疏水材料在所述扩散层中的负载量逐级递增；
将所述扩散层中所述疏水材料负载量低的一侧表面与所述催化层贴合设置，得到定向排水燃料电池电极。
7.如权利要求6所述的定向排水燃料电池电极的制备方法，其特征在于，在所述泡沫金属中负载所述疏水材料的步骤包括：将所述疏水材料配置成溶液后，对所述泡沫金属进行浸渍处理，干燥使所述疏水材料负载到所述泡沫金属中；
和/或，制备所述催化层的步骤包括：将催化剂和第二疏水材料配制成混合溶液后，对多孔金属基材进行浸渍处理，得到所述催化层；所述第二疏水材料在所述催化层中的负载量不高于所述扩散层中靠近所述催化层一侧的负载量。
8.如权利要求7所述的定向排水燃料电池电极的制备方法，其特征在于，所述疏水材料在所述扩散层中的负载量逐级递增的方法包括：采用不同浓度的疏水材料溶液分别对不同的泡沫金属进行浸渍处理，得到不同负载量的泡沫金属后按负载量的多少依次进行叠层组合，得到所述疏水材料的负载量逐级递减的所述扩散层；
或者，通过所述疏水材料的溶液对不同泡沫金属进行不同次数的浸渍处理，得到不同负载量的泡沫金属后按负载量的多少依次进行叠层组合，得到所述疏水材料的负载量逐级递减的所述扩散层。
9.如权利要求7或8所述的定向排水燃料电池电极的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中，所述催化剂的浓度为30～50wt％，所述第二疏水材料的浓度为5～10wt％；
和/或，所述疏水材料的浓度为5～20wt％；
和/或，所述疏水材料在所述扩散层中的负载量为2～8mg/cm2；
和/或，所述扩散层的厚度为0.2～0.8mm，孔隙率为95～98％，平均孔径为200～300μm；
和/或，所述催化层中，所述催化剂的负载量为1～5mg/cm2；
和/或，所述催化层中，所述第二疏水材料的负载量为1～2mg/cm2；
和/或，所述催化剂包括碳载铂、碳载金、碳载铂金中的至少一种；
和/或，所述催化层的厚度为0.2～0.4mm，孔隙率为95～98％，平均孔径为200～300μm；
和/或，所述泡沫金属、所述多孔金属基材分别独立的选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛中的至少一种；
和/或，所述疏水材料、所述第二疏水材料分别独立的选自聚四氟乙烯、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酯、聚氨酯中的至少一种。
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池中包括如权利要求1～5任一项所述方法制备的定向排水燃料电池电极，或者如权利要求6～9任一项所述的定向排水燃料电池电极。
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