CN1988225A - 一种用于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
本发明涉及一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法。其气体扩散层包括多孔支撑层和微孔层，多孔支撑层为网状、多孔结构。微孔层复合在多孔支撑层靠近催化层一侧的表面。所述微孔层均匀地覆盖在多孔支撑层的大孔及纤维密集区的表面，不深入至多孔支撑层的内部。本发明采用干法制备用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，所用的含氟聚合物1和含氟聚合物2，既可以是同一种聚合物，也可以是不同的聚合物。气体扩散层的多孔支撑层和微孔层的亲/疏水程度分别可调。因而，气体扩散层的结构与燃料电池的运行条件匹配，气体扩散层中的水更容易排出，水气分配更加合理。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池用气体扩散层，具体的说是一种用于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直接将储存在燃料(氢)与氧化剂(氧)中的化学能转化为电能，是一种高效、环境友好的发电装置。质子交换膜燃料电池的工作方式为，电池反应所需的燃料及氧化剂均储存在电池外，电池工作时，需连续不断地向电池内送入反应气体，并排除反应过程中形成的水。气体扩散层与流场一起构成质子交换膜燃料电池的传质通道。
气体扩散层位于流场与催化层之间，主要功能是电流集流和传质，由导电性良好的多孔材料(如碳纸或碳布等)制成。其传质功能包括，将从燃料电池外部由流场带入的反应气传输到催化层，反应生成的水随反应尾气通过气体扩散层排出。
质子交换膜燃料电池阴极反应的产物为液态水(1/2O2+2H++2e→H2O)。此外，由于质子交换膜Nafion的质子电导率与膜的含水量成正相关，为了促进质子的传递，在质子交换膜燃料电池的运行过程中须对反应气进行增湿处理，且电池运行的适宜温度为70℃-90℃。因此，当出现蒸汽饱和时，水蒸汽在气体扩散层的孔中凝聚成液态水，封堵气路，引起气体传质受阻。随着气体扩散层中水的饱和度的增大，气体的有效扩散系数呈指数降低。若催化层表面被液态水覆盖，以致反应气不能到达电极表面，则导致反应终止，造成“水淹”，出现严重的浓度极化，限制了电池功率的提高。因此，及时排除气体扩散层中的液态水对提高燃料电池的输出性能至关重要。
美国专利U.S.5561000，U.S.5620807，U.S.6733915，U.S.6127059，中国专利98109696，96198611，1658422，以及文献Ugur Pasaogullari，Chao-Yang Wang，“Two-phase transport and the role of micro-porous layer in polymer electrolyte fuelcells”，Electrochimica Acta，49(2004)4359-4369；E.Antolini，et al。“Morphological characteristics of carbon/polytetrafluoroethylene films deposited onporous carbon support”，Journal of Materials Science，33(1998)1837-1843；JinHyun Nam，Massoud Kaviany，“Effective diffusivity and water-saturation distributionin single-and two-layer PEMFC diffusion medium”，Intemational Journal of Heatand Mass Transfer，46(2003)4595-4611；L.R.Jordan，et al.，“Effect ofdiffusion-layer morphology on the performance of polymer electrolyte fuel cellsoperating at atmospheric pressure”，Joumal of Applied Electrochemistry，30(2000)641-646；L.R.Jordan，et al.，“Diffusion layer parameters influencing optimalfuel cell performance”，Journal of Power Sources，86(2000)250-254等认为在经疏水处理的公知的多孔支撑层靠近催化层的表面上涂覆一层由导电碳黑和疏水剂组成的微孔层能够有效地改善燃料电池内的水气传质。因此，用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层通常由两部分组成，即多孔支撑层和微孔层。其中，多孔支撑层的平均孔径通常大于10μm，大孔的主要功能是传输反应气体。微孔层的主要功能是水和气的“再分配”(或称为“水管理”)。
美国专利U.S.5561000公开了一种将由导电材料和聚合物树脂制成的混合物墨水，利用喷洒和喷雾的方法制备微孔层的方法。
美国专利U.S.5620807公开了一种制备双层气体扩散层的方法。粗孔层与流场相联，微孔层与催化层相联。微孔层由含溶剂的浆料制备。
美国专利U.S.6733915公开了一种利用不同的含氟聚合物分别处理多孔支撑层和微孔层，来制备双层气体扩散层的方法。制得的双层气体扩散层中，多孔支撑层与微孔层的亲/疏水性质和程度可以相同，也可以不同。
美国专利U.S.6127059公开了一种以碳布为多孔支撑层，制备表面疏水性更强的固体聚合物膜燃料电池用气体扩散层的制备方法：用适当溶剂将碳黑粉末与聚四氟乙烯制成浆料，涂覆在碳布表面，制得疏水性更强的气体扩散层表面。
中国专利1658422公开了一种在碳黑粉末与聚四氟乙烯浆料中加入造孔剂，通过控制造孔剂的用量和种类，来制备具有梯度孔的微孔层的制备方法。
中国专利96198611公开了一种制备气体扩散电极的方法，其中气体扩散层的制备方法是：首先制备含有一种导电材料和粘合材料的悬浮液，然后在悬浮也中浸渍多孔支撑层(非纺材料、纺织纤维或者纸)，干燥后烧结制得气体扩散层。
上述各专利中微孔层的制备方法均为湿法，即首先将碳黑粉末与疏水剂乳液制成浆料，然后复合到多孔支撑层的表面。用湿法制备微孔层使得气体扩散层在结构上具有一些“先天”的不足，详见下文。
已知质子交换膜燃料电池中水的形成和传质过程如下所述：电池中的液态水通过毛细作用进行传输。电池反应在催化层生成的水，首先在“催化层/微孔层”界面形成微小的水滴，这些小水滴可以相互融合形成大水滴，或与已有的水滴融合形成大液滴。大水滴趋向进入大孔，由于大孔的毛细力较小，因而进入大孔的水不易被排除。此外，质子交换膜燃料电池的气相通道主要由多孔支撑层中的大孔构成，因而，若大孔中的水滴不能被排除，燃料电池中的气相通道被堵塞，电池的输出性能急剧下降。微孔层由于具有丰富的微孔(0.01-0.1μm)，因而具有“毛细屏障”的作用，即可以凭借毛细作用而将形成的水导出。因此，在多孔支撑层表面首先构建均匀、不存在裸露大孔的微孔层是提高质子交换膜燃料电池在大电流密度工作时的输出性能的必要途径。
微孔层的厚度对质子交换膜燃料电池中“水/气”两相流的影响显著。根据文献Ugur Pasaogullari，Chao-Yang Wang，“Two-phase transport and the role ofmicro-porous layer in polymer electrolyte fuel cells”，Electrochimica Acta，49(2004)4359-4369得知，微孔层的厚度约为15m时具有最优的“水管理”功能。随着微孔层厚度的增大，“催化层/微孔层”界面水的饱和度增大，即容易在催化层表面造成“水淹”。
上述分析表明，在多孔支撑层表面首先构建表面均匀、无大孔，且厚度薄的微孔层是提高质子交换膜燃料电池在大电流密度工作时的输出性能的重要方法。
然而，公知的多孔支撑层，如碳纸或碳布等，其孔径分布不均匀，既存在由碳纤维交织而成的纤维密集区(孔径约为1μm-5μm)，又存在孔径较大(＞10μm)的“大孔”，内部结构不均匀。目前制备微孔层的方法为湿法，即首先将碳粉末制成悬浮液，与疏水剂乳液混合并制成浆料，然后将浆料涂覆在经疏水处理的多孔支撑层的表面。采用湿法制备微孔层，由于浆料的比重较大，浆料容易渗入到多孔支撑层的内部，并首先附着在多孔支撑层的纤维密集区。随着浆料用量的逐渐增多，浆料的附着地逐渐外移。即用湿法制备微孔层，微孔层在多孔支撑层中由内至外逐渐填充大孔而形成。因而，用湿法制备微孔层，若碳粉担载量较低往往在多孔支撑层表面留有未被覆盖的大孔；若将多孔支撑层表面完全覆盖，则所需浆料的量较大，而形成的微孔层则往往较厚，且不均匀。此外，用湿法制备微孔层的过程较复杂，包括：首先用有机溶剂将碳黑粉末分散，然后与疏水剂(如PTFE)乳液充分混合，将混合物加热制成浆料，再将浆料涂覆到多孔支撑层表面，然后在340℃-360℃进行烧结处理。上述处理过程中需大量使用有机溶剂。碳黑粉末带有大量表面基团，包括亲水性基团和疏水性基团。这些表面基团与有机溶剂分子间的相互作用可以影响碳粉末在溶剂中的形态和结构，最终影响微孔层的微观结构及亲/疏水性质等，而导致微孔层的水管理能力下降。
因此用湿法制备微孔层过程复杂，微孔层的表面易形成大孔和微孔层的厚度较厚。这些问题导致质子交换膜燃料电池气体扩散层中的水气传质受阻，导致电池的性能下降。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有均匀表面、无大孔且厚度薄的微孔层的气体扩散层，及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
用于燃料电池的气体扩散层，它包括多孔支撑层和微孔层，多孔支撑层为网状、多孔结构。微孔层复合在多孔支撑层靠近催化层一侧的表面；所述微孔层均匀地覆盖在多孔支撑层的大孔及纤维密集区的表面，所述微孔层用干粉料制备，不使用任何化学溶剂。
用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层干法制备，包括如下步骤：
1)多孔支撑层的预处理：将多孔支撑层浸入0.1％-10％浓度的含氟聚合物1的乳液中，取出后在空气中或低温烘箱中干燥；重复上述操作至多孔支撑层中含氟聚合物的含量达到1％-40％，然后放入炉中170℃-360℃处理5分钟-60分钟；
2)微孔层干粉料的制备：称取粒径10nm-100nm碳黑粉末与粒径50nm-5μm含氟聚合物2粉末，质量比为碳黑∶含氟聚合物2粉末＝10∶0.1-15，充分研磨并混合，得到微孔层干粉料；
3)微孔层的复合：采用负压喷涂法、刮涂法和滚压法通过1-10次复合将微孔层干粉料一次或分次复合至多孔支撑层表面，导电碳黑的担载量为0.02mg/cm2-3mg/cm2；
4)热处理：放入170℃-360℃的炉中处理5分钟-60分钟，得到燃料电池用气体扩散层。
其中：所述多孔支撑层为碳纸、碳布或多孔金属网。
所述多孔支撑层预处理用含氟聚合物1的乳液为聚四氟乙烯(PTFE)乳液，或聚偏氟乙烯(PVDF)乳液，或聚三氟氯乙烯(PCTFE)悬浮液，或四氟乙烯与六氟丙稀的共聚物(FEP)分散液。
所述微孔层粉料制备中的含氟聚合物2的粉料为聚四氟乙烯(PTFE)粉末，或聚偏氟乙烯(PVDF)粉末，或四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚的共聚物(PFA)粉末，或四氟乙烯与六氟丙稀的共聚物(FEP)粉末，或聚三氟氯乙烯(PCTEF)粉末，或四氟乙烯与乙烯的共聚物(ETFE)粉末。
所述的气体扩散层的多孔支撑层和微孔层的亲/疏水程度分别可调。
所述碳黑粉末为美国卡博特Vulcan XC-72导电碳黑或乙炔黑，或者为Vulcan XC-72导电碳黑或乙炔黑与Ketjen黑或珍珠黑中的任意一种组成的混合碳粉。混合碳粉配比：Ketjen黑或珍珠黑占混合碳粉总量的2％-50％。
本发明的优点如下：
1.由于本发明的微孔层是用干粉料复合在多孔支撑层表面而成，使用的是干粉料，不含化学溶剂，因而干粉料的比重较湿法中使用的粉末浆料的比重小。
2.本发明方法微孔层表面更加均匀，无裸露大孔，可以附着在纤维密集区，也可以附着于大孔区(参见图1)。
3.具有厚度薄特点，与湿法相比较，用干粉末制备的微孔层更容易浮在多孔支撑层的表面，因而可以得到薄且均匀的微孔层。
4.本发明气体扩散层中多孔支撑层和微孔层的“亲/疏”水性质和程度可控、可调，与燃料电池的运行条件相匹配。
5.本发明气体扩散层液态水更易排出，水气分配更加合理。
6.稳定性好，烧结处理过程可以使疏水剂粉料熔融形成网状结构，将碳粉末联结称为稳定的一体化结构。
7.制备工艺简单。
8.应用效果好。本发明基于干法制备微孔层的燃料电池单池的极化曲线在大电流密度区的输出性能明显好于湿法。在高电流密度区(如电流密度为1.5A/cm2)，电池输出功率提高了110％。
附图说明
图1a为用湿法制备的微孔层的SEM图
图1b为用本发明制备的微孔层的SEM图。
图2为本发明组装的膜电极(MEA)图(图中：1-经疏水处理的多孔支撑层；2-复合了微孔层的气体扩散层)。
图3为本发明实施例1、2、8的电池极化曲线
图4为本发明实施例3的电池极化曲线(图中：实施例3-复合了微孔层的气体扩散层)。
图5为本发明实施例4和比较例的电池极化曲线(图中：实施例4-膜电极(CCM))。
具体实施方式
实施例1
所述气体扩散层包括多孔支撑层和微孔层，多孔支撑层为网状、多孔结构，微孔层复合在多孔支撑层靠近催化层一侧的表面，微孔层上有微孔；所述微孔层均匀地覆盖在多孔支撑层的大孔及纤维密集区，而不深入至多孔支撑层的内部。
将PTFE乳液(大金工业株式会社，浓度60％)稀释至5％，然后将碳纸(TorayTGPH-060)放入所配制的PTFE乳液中浸泡5分钟，空气中晾干。反复5次至PTFE的含量达到20％，放入60℃烘箱干燥1小时。然后放入炉中360℃处理60分钟。
分别称取0.7g导电碳黑(Vulcan XC-72，Cabot Co.粒度30nm)和0.3g PTFE粉末(大金工业株式会社)，放入研磨机中，研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+PTFE干粉料倒在经疏水处理的碳纸表面，用刮刀刮涂使干粉料均匀地成层。碳粉的担量分别为0.4mg/cm2，0.5mgcm2，0.6mg/cm2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，360℃处理60分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极表观面积5cm2。电池性能曲线见图3。
实施例2
将PVDF乳液(大金工业株式会社)稀释至10％，然后将碳纸(TorayTGPH-060)放入所配制的PVDF乳液中浸泡5分钟，空气中晾干。反复5次，至PVDF的含量为30％，放入60℃烘箱干燥1小时。然后放入炉中190℃处理55分钟。
分别称取1g导电碳黑(Acetylene Black，河南，粒度40nm)和0.1g PVDF粉末(大金工业株式会社)，放入研磨机中，研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+PVDF干粉料刮涂到经疏水处理的碳纸表面，碳粉的担量为0.8mgcm-2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，170℃处理55分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极表观面积5cm2。
实施例3
将聚四氟乙烯(PTFE)乳液(大金工业株式会社，浓度60％)稀释至10％，然后将碳纸(Toray TGPH-060)放入所配制的PTFE乳液中浸泡5分钟，空气中晾干。反复数次，至PTFE的含量分别为5％，15％，30％和40％。将碳纸放入60℃烘箱干燥1小时，然后放入炉中340℃处理50分钟。
分别称取1g导电碳黑(Vulcan XC-72，Cabot Co.粒度30nm)和0.01g聚四氟乙烯(PTFE)粉末(大金工业株式会社)，放入研磨机中，研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+PTFE干粉料刮涂到经疏水处理的碳纸表面，碳粉的担量为1.0mgcm-2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，330℃处理50分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极有效表观面积5cm2。电池性能曲线见图4。
实施例4
碳纸的疏水处理同实例1。
分别称取1g导电碳黑(Vulcan XC-72，Cabot Co.粒度30nm)和1g聚四氟乙烯粉末(大金工业株式会社)，放入研磨机中，研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+PTFE干粉料用负压喷涂法，均匀播撒在经疏水处理的碳纸表面，碳粉的担量分别为0.02mg/cm2，0.08mgcm2，0.16mg/cm2。滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，330℃处理45分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极表观面积5cm2。电池性能曲线见图5。
实施例5
碳纸疏水处理同实施例1。
称取1g导电碳黑(Vulcan XC-72，Cabot Co.粒度30nm)，分别与0.1g，0.3g和0.6g聚偏氟乙烯粉末(大金工业株式会社)混合，放入研磨机中，研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+PTFE干粉料倒在经疏水处理的碳纸表面，用刮刀刮涂使干粉料均匀地成层。碳粉的担量为3mg/cm2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，355℃处理40分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极表观面积5cm2。
实施例6
碳纸疏水处理同实施例1。
称取1g乙炔黑(Acetylene Black，河南，粒度40nm)和0.02g珍珠黑(BlackPearlCabot Co.粒度15nm)，放入研磨机中研磨1分钟，然后与0.3g聚四氟乙烯粉末(大金工业株式会社)混合，放入研磨机中，再次研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+PTFE干粉料用负压喷涂法涂覆在经疏水处理的碳纸表面。碳粉的担量为1.8mg/cm2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，345℃处理35分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极表观面积5cm2。
实施例7
碳纸疏水处理同实施例1。
称取1g导电碳黑(Vulcan XC-72，Cabot Co.粒度30nm)和1g Ketjen碳黑，放入研磨机中研磨1分钟，然后与0.8g聚四氟乙烯粉末(大金工业株式会社)混合，放入研磨机中，再次研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+PTFE干粉料用负压喷涂法涂覆在经疏水处理的碳纸表面。碳粉的担量为2.1mg/cm2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，355℃处理30分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极表观面积5cm2。
实施例8
将四氟乙烯与六氟丙稀的共聚物(FEP)分散液(大金工业株式会社)稀释至1％，然后将碳纸(Toray TGPH-060)放入所配制的PTFE乳液中浸泡5分钟，空气中晾干。反复3次后，放入60℃烘箱干燥1小时。然后放入炉中280℃处理25分钟。
分别称取1g导电碳黑(Vulcan XC-72，Cabot Co.粒度30nm)和1.5g四氟乙烯与乙烯的共聚物(ETFE)粉末(大金工业株式会社)，放入研磨机中，研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+ETFE干粉料倒在经疏水处理的碳纸表面，用刮刀刮涂使干粉料均匀地成层。碳粉的担量为1.2mg/cm2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，270℃处理25分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极表观面积5cm2。
实施例9
将聚四氟乙烯(PTFE)乳液(大金工业株式会社)稀释至1％，然后将碳纸(Toray TGPH-060)放入所配制的PTFE乳液中浸泡5分钟，空气中晾干。反复3次后，放入60℃烘箱干燥1小时。然后放入炉中330℃处理20分钟。
分别称取1g导电碳黑(Vulcan XC-72，Cabot Co.粒度30nm)和1.2g四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚的共聚物(PFA)粉末(大金工业株式会社)，放入研磨机中，研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+PFA干粉料倒在经疏水处理的碳纸表面，用刮刀刮涂使干粉料均匀地成层。碳粉的担量为0.6mg/cm2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，340℃处理20分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极表观面积5cm2。
实施例10
将聚三氟氯乙烯(PCTFE)乳液(大金工业株式会社)稀释至1％，然后将碳纸(Toray TGPH-060)放入所配置的PCTFE乳液中浸泡5分钟，空气中晾干。反复3次后，放入60℃烘箱干燥1小时。然后放入炉中230℃处理15分钟。
分别称取1g导电碳黑(Vulcan XC-72，Cabot Co.粒度30nm)和0.4g聚偏氟乙烯(PVDF)粉末(大金工业株式会社)，放入研磨机中，研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+PVDF干粉料倒在经疏水处理的碳纸表面，用刮刀刮涂使干粉料均匀地成层。碳粉的担量为0.9mg/cm2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，190℃处理15分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为1.1mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极表观面积5cm2。
实施例11
将聚四氟乙烯(PTFE)乳液(大金工业株式会社)稀释至1％，然后将碳纸(Toray TGPH-060)放入所配置的PCTFE乳液中浸泡5分钟，空气中晾干。反复3次后，放入60℃烘箱干燥1小时。然后放入炉中350℃处理10分钟。
分别称取1g导电碳黑(Vulcan XC-72，Cabot Co.粒度30nm)和0.7g四氟乙烯与六氟丙烯共聚物(FEP)粉末(大金工业株式会社)，放入研磨机中，研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+FEP干粉料倒在经疏水处理的碳纸表面，用刮刀刮涂使干粉料均匀地成层。碳粉的担量为0.6mg/cm2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，280℃处理10分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极表观面积5cm2。
实施例12
将聚四氟乙烯(PTFE)乳液(大金工业株式会社)稀释至1％，然后将碳纸(Toray TGPH-060)放入所配置的PCTFE乳液中浸泡5分钟，空气中晾干。反复3次后，放入60℃烘箱干燥1小时。然后放入炉中360℃处理5分钟。
分别称取1g导电碳黑(Vulcan XC-72，Cabot Co.粒度30nm)和0.5g聚三氟氯乙烯(PCTEF)粉末(大金工业株式会社)，放入研磨机中，研磨1分钟(25000转/分钟)。
将处理好的碳粉+PCTEF干粉料倒在经疏水处理的碳纸表面，用刮刀刮涂使干粉料均匀地成层。碳粉的担量为0.6mg/cm2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，220℃处理5分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mgcm-2，电池测试温度为80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极表观面积5cm2。
比较例
碳纸的疏水处理同实例1。
分别称取1g导电碳黑(Vulcan XC-72，Cabot Co.粒度30nm)，与50ml乙醇混合，放在烧杯中水浴加热，并搅拌45分钟。称取0.6g聚四氟乙烯乳液(大金工业株式会社，浓度63％)，用乙醇稀释至10ml，倒入碳黑的乙醇溶液，继续加热搅拌60分钟，制成浆料。
将处理好的浆料刮涂到经疏水处理的碳纸表面，碳粉的担量为0.8mgcm-2。经滚压后，将处理好的碳纸放入炉中，N2保护，350℃处理30分钟。
将所制得的气体扩散层与膜电极CCM(自制)组装电池进行测试，组装的MEA见图2所示。电池用燃料电池测试系统测试，电池测试条件是，膜电极的Pt担量为0.7mg/cm2，电池测试温度80℃，氢气增湿温度90℃，空气增湿温度85℃，氢气、空气压力(表压)0.2MPa，网状气体流场，电极有效表观面积5cm2。电池性能曲线见图5。
Claims (8)
1.一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括多孔支撑层和微孔层，多孔支撑层为网状、多孔结构，微孔层复合在多孔支撑层靠近催化层一侧的表面，其特征是：所述微孔层均匀地覆盖在多孔支撑层的大孔及纤维密集区的表面；所述微孔层成份为粒径10nm-100nm碳黑粉末与粒径50nm-5μm的含氟聚合物2粉末按10∶0.1-15质量比构成。
2.按权利要求1所述用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征是：所述多孔支撑层为碳纸、碳布或多孔金属网。
3.按权利要求1中所述用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征是：其中多孔支撑层的孔隙率为30％-99.9％，平均孔径大于5μm。
4.按权利要求1中所述用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征是：所述含氟聚合物2的粉料为聚四氟乙烯粉末，或聚偏氟乙烯粉末，或四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚的共聚物粉末，或四氟乙烯与六氟丙稀的共聚物粉末，或聚三氟氯乙烯粉末，或四氟乙烯与乙烯的共聚物粉末。
5.一种按权利要求1所述用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，其特征是：采用干法，将由导电碳黑粉末和含氟聚合物粉末混合制得的干粉料，复合在经含氟聚合物处理的多孔支撑层的表面，构成微孔层；然后烧结后得到气体扩散层；具体步骤如下：
1)多孔支撑层的预处理：将多孔支撑层浸入0.1％-10％浓度的含氟聚合物1的乳液中，取出后在空气中或低温烘箱中干燥；重复上述操作至多孔支撑层中含氟聚合物的含量达到1％-20％，然后放入炉中170℃-360℃处理5分钟-60分钟；
2)微孔层干粉料的制备：称取粒径10nm-100nm碳黑粉末与粒径50nm-5μm的含氟聚合物2粉末，质量比为碳黑∶含氟聚合物2粉末＝10∶0.1-15，充分研磨并混合，得到微孔层干粉料；
3)微孔层的复合：采用负压喷涂法，或刮涂法，或滚压法通过1-10次复合将微孔层干粉料一次或分次复合至多孔支撑层表面，导电碳黑的担载量为0.02mg/cm2-3mg/cm2；
4)热处理：放入170℃-360℃的炉中处理5分钟-60分钟，得到燃料电池用气体扩散层。
6.按权利要求4所述用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，其特征是：所述含氟聚合物1和含氟聚合物2，可以是同一种聚合物，也可以是不同的聚合物；其中：含氟聚合物1的乳液为聚四氟乙烯乳液，或聚偏氟乙烯乳液，或聚三氟氯乙烯悬浮液，或四氟乙烯与六氟丙稀的共聚物分散液；含氟聚合物2的粉料为聚四氟乙烯粉末，或聚偏氟乙烯粉末，或四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚的共聚物粉末，或四氟乙烯与六氟丙稀的共聚物粉末，或聚三氟氯乙烯粉末，或四氟乙烯与乙烯的共聚物粉末。
7.根据权利要求4所述用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，其特征是：所述的气体扩散层的多孔支撑层和微孔层的亲/疏水程度分别可调。
8.根据权利要求4所述用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，其特征是：所述碳黑粉末为Vulcan XC-72导电碳黑或乙炔黑，或者为Vulcan XC-72导电碳黑或乙炔黑与Ketjen黑或珍珠黑中的任意一种组成的混合碳粉。混合碳粉配比：Ketjen黑或珍珠黑占混合碳粉总量的2％-50％。
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