CN212230526U - 一种用于燃料电池的气体扩散层、膜电极以及燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种用于燃料电池的气体扩散层，包括碳基底以及涂抹在所述碳基底两面的第一微孔层和第二微孔层。其中，第一微孔层和第二微孔层包括碳微粒和粘结剂，第一微孔层的重量大于第二微孔层的重量。本实用新型在现有技术的基础上，通过对气体扩散层进行简单的结构优化，显著提升了气体扩散层的水管理性能和燃料电池的性能，尤其是在高湿度和大电流运行条件下的性能。

Description

一种用于燃料电池的气体扩散层、膜电极以及燃料电池
技术领域
本实用新型属于电化学领域，特别涉及一种用于燃料电池的气体扩散层、膜电极以及燃料电池。
背景技术
气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)通常应用于电化学领域，如燃料电池和电解槽，特别是在那些应用离子交换膜作为分离器或电解质的设备中。气体扩散层通常用一个具网络结构的物体作为基底及支撑，然后将浆液涂于基底上，形成微孔层(Micro-porous Layer，MPL)，经加热后二者成一体，成为气体扩散层。气体扩散层是输送水、气和电流的渠道。燃料电池堆供电的基本单元是膜电极(Membrane Electrode Assembly，MEA)，一般有两种制作膜电极的方法：气体扩散电极法(GDE)和催化剂涂膜法。前者将含有催化剂和粘结剂的涂层涂于气体扩散层(GDL)的顶部，通过热处理与GDL熔融形成GDE，随后将GDE通过热压膜层压形成膜电极。而后者则是先将含有催化剂和粘结剂的涂层经涂抹及热压与膜结合形成催化层/膜的复合体(Catalyst-coated Membrane，CCM)，然后再将CCM与GDL结合成膜电极。
对于大多数技术应用来说，GDL的构造包括一个多孔电流导电载体(如碳布、碳纸或金属网)，然后在此载体上涂上微米孔电流导电层。同时，GDL也需要作为均匀输送气体的通道，同时还要防止催化剂层中的水以液体形式渗入气体扩散层内。由于水溶液中氧、氢气体分子的溶解度和扩散速率低，若液态水在GDL中形成，能有效地阻断气体扩散，甚至造成水淹现象，完全破坏其运行。甚至过量的水蒸气也应该被控制，因为它也能减缓氢/氧的输送。
由于GDL在允许快速气体输送和抑制水渗透方面的关键作用，所以必须要能够控制GDL的结构来实现这些功能目标，例如通过调整微孔层的孔隙分布及疏水性来控制。其基本原理是利用孔隙大小及疏水性所形成的毛细管压力来防止水滴的穿透力：在孔隙中的毛细管压力P、表面张力γ(与疏水性有关)、接触角θ、孔隙半径a之间的关系可由下列方程表示：P＝2*γ*cosθ/a。
在一般的实践中，GDL的涂层首先是通过混合导电碳粒子和防湿化学剂，如聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，来制备油墨配方。这些含氟防湿化学剂可在GDL多孔结构中引入疏水性特性，以利于控制水的输送。
美国专利US6103077和US6444602公开了用自动工业涂布机在炭布上制造气体扩散层(GDLs)和气体扩散电极(GDEs)，包括这些产品的成分和制作方法。美国专利US7923172公开了特殊气体扩散层和气体扩散电极的结构，其中多层气体扩散层或多层催化剂层或两者都被应用于碳布上，而且这些多层结构还设计了孔隙度和疏水性的梯度。在上述被引用的文件中，涂层由碳粒子混合物和疏水性粘结剂，如聚四氟乙烯，组成气体扩散层，或催化剂微粒和疏水性粘结剂组成催化剂层。在体现孔隙度和疏水性梯度的气体扩散层和气体扩散电极的制作中则是采用了加入不同的相对量的碳和粘结剂材料，或在各个层使用不同类型的碳，或在各个层使用不同的催化剂颗粒和粘结剂材料的组合。美国专利申请US20110183232 公开了优化水管理的双层阴极结构和调合甲醇催化剂利用率/抑制甲醇膜渗透的双层阳极结构，以达成优化甲醇燃料电池中性能的目的。然而，在所有这些文献中，没有对微孔层应如何在网络碳载体涂抹/分布的研究，但是这些知识对于如何使 GDL在各操作条件下具有优化的性能却至关重要。
现有技术中，商用气体扩散层只涂于碳基底的一面，此有涂层的一面在MEA 中是面对着CCM中的催化剂层，碳基底的另外一面是无涂层的。发明人在实践中意外发现，这种只涂一面的气体扩散层在较高湿度的运行环境中会形成性能不稳定或性能较低的状况。
实用新型内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的在于提供一种用于燃料电池的气体扩散层、膜电极以及燃料电池，通过对气体扩散层进行简单的结构优化，即可显著提升气体扩散层的水管理性能和燃料电池的性能，尤其是在高湿度和大电流运行条件下的性能。
为达到上述目的，一方面，本实用新型提供了一种用于燃料电池的气体扩散层，包括碳基底，以及涂抹在碳基底两面的第一微孔层和第二微孔层；其中，第一微孔层和第二微孔层包括碳微粒和粘结剂；第一微孔层的重量大于第二微孔层的重量。
进一步地，碳基底为碳纸(例如Toray 090碳纸)、碳纤维编织布或碳纤维无纺布。
进一步地，碳微粒为石墨化碳微粒，优选为石墨碳粉，例如ENSACO碳粉。碳微粒主要用于提供导电性及多孔性，用石墨化碳微粒制成的气体扩散层能具有更好的气体运输和水管理性能。此外，碳微粒需要在水溶液中很好地分散，这样它们就可以与气体扩散层的配方中的其他成分混合，并且在碳基体上应用。此外，在热处理后，精细分散的碳微粒可以与气体扩散层中的防湿剂紧密地混一起，从而产生理想的多孔结构。
进一步地，碳粉具有较强的疏水性，因此需要借助良好的分散剂和/或分散装置，使它们能够均匀地分散到水溶液中。分散装置可采用超声波喇叭(ultrahorn)、均散器(homogenizer)或微管流化装置(micro-fluidizer)。
进一步地，粘结剂为聚合物粘结剂，优选为部分氟化或全氟粘结剂，如聚四氟乙烯。粘结剂用于赋予涂层的结构特性，使之能够涂抹并粘结在碳基底上，也可以有利地用于改变涂层的疏水特性。
进一步地，第一微孔层和第二微孔层的总重量相对于碳基底的重量比在 0.05-1.5，优选为0.1-1.2。而第一微孔层和第二微孔层的重量比(即面密度比)为 3-5，优选为3.5-4.5。
进一步地，第一微孔层和第二微孔层通过成分相同的浆液多次涂抹的方式涂抹到碳基底上，以达到所需的重量。在最后一层涂层干燥后，有涂层的碳基体要经过热处理，以消除所有的添加剂，只留下碳和粘合剂在形成的微孔层中。
另一方面，本实用新型提供了一种用于燃料电池的膜电极，包括上述气体扩散层，通过将CCM与上述气体扩散层热压而得到，其中气体扩散层的第一微孔层与CCM中的催化剂层相邻。
又一方面，本实用新型还提供了一种燃料电池，包括上述用于燃料电池的膜电极。
本实用新型在现有技术的基础上，通过对气体扩散层进行简单的结构优化，显著提升了气体扩散层的水管理性能和燃料电池的性能，尤其是在高湿度和大电流运行条件下的性能。
附图说明
图1是实施例1的用于燃料电池的气体扩散层的结构示意图；
图2是实施例1和对比例1在35％RH运行条件下的伏安性能对比示意图；
图3是实施例1和对比例1在100％RH运行条件下的伏安性能对比示意图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，下述的实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例或对比例或对比例中所用的技术，例如浆液的调制和涂抹、电池的组装和测试等技术，均为本领域技术人员所熟知的技术。以下实施例或对比例中所用的试剂或材料，例如碳纤维、碳粉末、分散剂、疏水剂、粘结剂、CCM等，均为本领域技术人员所熟知的商用材料。本用新型所选用的产品品牌及型号仅仅是作为一种示例，本领域技术人员应当了解，只要是具有相同或类似作用的其他品牌及型号产品亦可应用。
实施例1
在一个较佳实施例中，本实用新型的用于燃料电池的气体扩散层的结构如图1 所示，包括碳基底3，以及涂抹在碳基底3两面的第一微孔层1和第二微孔层2；其中，第一微孔层1和第二微孔层2包括碳微粒和粘结剂；第一微孔层1的重量大于第二微孔层2的重量。
气体扩散层、膜电极以及燃料电池的制备方法包括以下步骤：
调制浆液：将商业碳粉(ENSACO，Imery石墨与碳公司制造)加入水中，加入分散剂，经过机械分散，然后加入疏水剂及粘结剂做成适合涂抹的浆液，最终浆液中碳浓度为2-8wt％。
涂抹第一微孔层1：以Toray 090碳纸(TorayCA Tokyo，Japan)作为碳基底3，将上述浆液用涂抹于碳纸的一面，然后经干燥及热处理除去所有有机物，所得到的第一微孔层1的面密度为1.767mg/cm2。
涂抹第二微孔层2：在上述涂有第一微孔层1的碳纸的另外一面也涂上少量上述浆液，然后经同样的干燥及热处理过程，所得到的气体扩散层总的微孔层的面密度为2.224mg/cm2，即第二微孔层2的面密度为0.457mg/cm2。
组装膜电极：将上述制备的面积50cm2的气体扩散层(GDL)与商业CCM(阴极侧0.3mg/cm2 Pt，阳极侧0.1mg/cm2 Pt)组合制成膜电极(MEA)。
性能测试：将上述膜电极放入燃料电池中进行测试。测试条件为80℃，H2/空气化学计量比分别为1.5/2.5，背压为0.3个大气压。
对比例1
对比例1的气体扩散层、膜电极以及燃料电池的制备和测试方法与实施例1基本相同，区别仅在于，对比例1的气体扩散层未涂抹第二微孔层，而是直接将涂有第一微孔层的碳纸作为气体扩散层(面积50cm2)与商业CCM组合制成膜电极。
在不同的相对湿度(RH)条件下，测试实施例1和对比例1的GDL所制备的燃料电池的性能。如图1-2所示，在35％RH下，实施例1和对比例1的GDL性能相差不多；但在100％RH下，实施例1具有两面涂层的GDL在高电流下有较好的性能。这个结果应当与反面(面对流道的)涂层有关。在高电流的情况下，因为阴极产生水，阴极催化极层会基聚大量的水。反面涂层有两个功能：(1)防止大量水进入阴极催化层中；(2)因为涂层是疏水性，当过量水气从阴极催化层扩散出在背面形成液体水时，这一疏水层会防此液体水长期留在背面，而是很快脱离，因此避免了水淹。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于燃料电池的气体扩散层，其特征在于，包括碳基底以及涂抹在所述碳基底两面的第一微孔层和第二微孔层；其中，所述第一微孔层的重量大于所述第二微孔层的重量。
2.如权利要求1所述的用于燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述碳基底为碳纸、碳纤维编织布或碳纤维无纺布。
3.如权利要求2所述的用于燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述碳纸为Toray090碳纸。
4.如权利要求1所述的用于燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述第一微孔层和所述第二微孔层中的石墨碳粉为ENSACO碳粉。
5.如权利要求1所述的用于燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述第一微孔层和所述第二微孔层中的粘结剂为聚四氟乙烯粘结剂。
6.如权利要求1所述的用于燃料电池的气体扩散层，其特征在于，所述第一微孔层和所述第二微孔层的总重量相对于所述碳基底的重量比为0.1-1.2；所述第一微孔层和所述第二微孔层的重量比为3.5-4.5。
7.一种用于燃料电池的膜电极，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的气体扩散层；所述膜电极通过将CCM与所述气体扩散层热压而得到，其中所述气体扩散层中的所述第一微孔层与所述CCM中的催化剂层相邻。
8.一种燃料电池，其特征在于，包括如权利要求7所述的用于燃料电池的膜电极。
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