技术领域
[0001] 本
发明涉及
燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法。
背景技术
[0002] 燃料电池能够将燃料和
氧化剂的
化学能转换为
电能，其
能量转换效率不受卡诺
热机循环理论效率的限制，具有高效、环境友好、安静、可靠性高等优点，在众多领域具有广阔的发展前景。其中
质子交换膜燃料电池功率
密度高、启动快、对负载变化响应快，成为交通运输领域
能源重要发展方向。燃料电池的核心部件为膜
电极材料，由质子交换膜、催化剂和气体扩散层通
过热压工艺复合而成。反应气体(
阳极常为氢气、
阴极为空气或氧气)经导流极板导流，再经气体扩散层扩散至催化剂表面发生反应，反应产物
水从膜电极表面从扩散层穿出汇入气流排出。在燃料电池的反应过程，水管理是个重要的过程，既要保证质子交换膜含有足够的水，以达到最佳电导率，又要求能充分排出反应生成的水，以防止膜电极表面水淹现象，反应无法进行，对气体扩散的结构设计有严格的要求。
[0003] 目前商品化得气体扩散层一般包括基底层和微孔层两部分，主要的生产加工方法是在处理后的基底层上涂覆一层微孔结构。考虑到微孔层在加工过程中会有一定的流动性，实际加工生产得到的气体扩散层含有三种结构：微孔层、微孔层与基底层的混合层、基底层。要保证上述三层结构的
稳定性，必须对微孔层制备过程进行严格控制，工艺苛刻、成本高。因此，一些新的材料、新的加工工艺和结构设计被应用到气体扩散层的制备中。
[0004] 中国
专利CN107681164公开了一种以多孔
石墨纸作为基底层材料，采用导电涂料涂覆的方法得到含有1-2层的微孔结构的气体扩散层。多孔石墨采用
激光打孔的方法得到，孔径的大小和间距可控。该方法采用的石墨纸在透气率方面要远低于
碳纤维基材。此外，在激光打孔后的基材上直接涂覆微孔导电层，由于打孔的区域不同，涂覆后气体扩散层结构的均一性难以控制。
[0005] 中国专利CN109167070公开了一种梯度结构的燃料电池气体扩散层及其制备方法。通过掺杂金刚石层在气体扩散层上依次在微孔层、碳黑和
碳纤维层形成由小到大的梯度孔隙结构。由于靠近膜电极
位置处只能是小的孔径结构，所以本方法不能够改善高
电流密度下，由于大量水产生而造成的水淹情况。此外，要达到所述的梯度结构，需要采用
化学气相沉积的方法，规模化制备的成本较高。
发明内容
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述
现有技术存在的气体扩散层容易出现水淹的
缺陷而提供一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008] 一种燃料电池用气体扩散层，包括由导电材料为主成分的微孔层和由上述导电材料和多孔碳材料
烧结而成的混合基底层，所述混合基底层和微孔层的内部均含有孔径为300～500μm的孔结构。
[0009] 本发明
基础对燃料电池气体扩散层的根本作用出发，新设计的结构中含有大孔的双层结构，充分满足了大孔结构分布在微孔层和混合基底层中，能够快速的将产生的液态水排出；双层结构设计克服了传统微孔层涂覆后产生的一致性差的问题，简化了加工工艺；此外，本发明中的混合基底层由微孔层与多孔碳材料组成，降低了表面的粗糙度，有利于增加质子交换膜的寿命。本发明的，一方面降低加工工艺的成本，另外一方面能够满足高电流密度下水汽传输的要求。
[0010] 混合基底层和微孔层的孔径非常重要，气体扩散层为反应气体提供通道，并且需要能够将催化层的水顺利排出，满足气体进入催化剂层表面持续进行反应。300-500um能够满足液体水的传输，有利于建立液体水从催化层界面传输到气体扩散层整个过程的通道，如果气体扩散层的孔径尺寸<300um，不利于水传输的进行，然而如果尺寸过大，对于气体扩散层的扩散稳定性不利。
[0011] 所述的混合基底层的厚度为100～300μm；所述微孔层的厚度为30～110μm，优选为30-80μm。
[0012] 所述混合基底层和微孔层中300～500μm的孔结构，所述燃料电池用气体扩散层的孔隙率为50～85％。
[0013] 通过控制微孔层的厚度，可以保证较低的
接触电阻和良好的水汽传输。
[0014] 所述导电材料的原料组分选自
乙炔黑、
鳞片石墨、柔性石墨、碳
纳米管中的一种或几种。
[0015] 所述的多孔碳材料选自碳纤维纸或织物。
[0016] 一种如
权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0017] (1)将导电材料、粘接剂和造孔剂混合均匀得到所述导电浆料；
[0018] (2)将所述多孔碳材料的下表面通过
吸附固定于
基台上，所述导电浆料均匀涂覆于所述多孔碳材料的上表面；
[0019] (3)将涂覆导电浆料的多孔碳材料进行烧结处理形成所述微孔层和混合基底层。
[0020] 所述涂覆过程中，所述导电浆料在多孔碳材料上的吸附强度为10～50N/cm2。
[0021] 所述导电浆料的原料组分的重量份含量为：导电材料60～90份、粘接剂10～40份和造孔剂1～5份；所述造孔剂的平均粒径为200～600μm。
[0022] 所述造孔剂为
氯化铵、碳酸氢铵或
草酸铵中的一种或多种。
[0023] 所述粘接剂为羟甲基
纤维素钠或聚乙二醇中的一种或二者的混合物。
[0024] 通过优选特定的导电浆料组分，尤其是不含碳纤维，形成的微孔层表面具有较低的粗糙度，有利于保护催化剂层和质子交换膜(CCM)，如果微孔层表面采用高分子
树脂、碳纤维以及导电粒子构成，其与催化层直接接触时，不平整的碳纤维会造成CCM穿孔。
[0025] 所述烧结
温度为300～800℃，烧结时间为3～8h。
[0026] 烧结处理使材料充分完成造孔，保证化学结构稳定性，烧结条件影响微孔的形成。
[0027] 所述导电浆料和多孔碳材料的
质量比为1/5～1/3，从而保证扩散层具有优良的
导电性和结构强度。
[0028] 本发明的制备过程简单，本发明得到的气体扩散层仅具有混合基底层和导电微孔层两层结构，而不会向现有技术中存在微孔层、微孔层与基底层的混合层、基底层三种结构，这是因为通过控制导电浆料的
粘度及多孔碳纤维的吸附
力，导电浆料能够形成平整的微孔层，并且能够保证其在整个多孔碳材料中均匀分布。
[0029] 通过对造孔剂尺寸的优化选择，经高温碳化处理后，能够获得特定大小的孔径结构，如300-500um的大孔结构。
[0030] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0031] (1)通过将气体扩散层设计为双层结构，提高材料的一致性，简化了制备工艺，降低加工工艺的成本；
[0032] (2)在微孔层和混合基底层中引入大孔径结果，满足高功率密度运行下的水汽传输需求，满足燃料电池大功率开发的需求。
附图说明
[0033] 图1为本发明的结构示意图；
[0034] 图中，1为微孔层，2为混合基底层，3为孔结构。
具体实施方式
[0035] 下面结合具体
实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0036] 实施例1～4
[0037] 一种气体扩散层的制备方法，
[0038] 1)以乙炔黑作为导电材料制备导电涂料，导电涂料中固体物质的总重量为100％计，所述导电涂料包含以下重量份含量的原料：导电材料80、粘接剂30、造孔剂4wt％，造孔剂为氯化铵、碳酸氢铵和草酸铵的混合物，造孔剂的平均粒径为500μm；粘结剂为羟甲基纤维素钠和聚乙二醇的混合物。
[0039] 2)将多孔碳材料置于具有吸附作用并且可连续传输的基台上；
[0040] 3)将上述导电浆料涂覆于在多孔碳材料的非吸附面，涂覆过程中的吸附强度见表1，基台匀速转动将涂覆后的材料连续传送，导电浆料和多孔碳材料的质量比为1/4；
[0041] 4)涂覆后的材料经过烧结处理5小时，获得仅具有混合层和导电微孔层结合为一体气体扩散层。
[0042] 本实施例制备过程中多孔碳材料的规格参数、吸附强度以及制备得到的气体扩散层
孔径分布见表1，制备得到的气体扩散层如图1所示，包括微孔层1和混合基底层2，并且微孔层1和混合基底层2均含有300～500μm的孔结构。
[0043] 表1 实施例1～4的制备过程工艺参数
[0044]
[0045] 实施例5
[0046] 一种气体扩散层的制备方法，
[0047] 1)以乙炔黑作为导电材料制备导电涂料，导电涂料中固体物质的总重量为100％计，所述导电涂料包含以下重量份含量的原料：导电材料60、粘接剂10、造孔剂1wt％；造孔剂为氯化铵，造孔剂的平均粒径为200μm，粘结剂为羟甲基纤维素钠。
[0048] 2)将100μm厚的多孔碳材料置于具有吸附作用并且可连续传输的基台上；
[0049] 3)将上述导电浆料涂覆于在多孔碳材料的非吸附面，涂覆过程中的吸附强度为30N/cm2，基台匀速转动将涂覆后的材料连续传送，导电浆料和多孔碳材料的质量比为1/3；
[0050] 4)涂覆后的材料经过300℃烧结处理8h，获得仅具有混合层和导电微孔层结合为一体气体扩散层。
[0051] 实施例6
[0052] 一种气体扩散层的制备方法，
[0053] 1)以乙炔黑作为导电材料制备导电涂料，导电涂料中固体物质的总重量为100％计，所述导电涂料包含以下重量份含量的原料：导电材料90、粘接剂40、碳纤维20，造孔剂5wt％，造孔剂为碳酸氢铵，造孔剂的平均粒径为600μm；粘结剂为聚乙二醇。
[0054] 2)将300μm厚的多孔碳材料置于具有吸附作用并且可连续传输的基台上；
[0055] 3)将上述导电浆料涂覆于在多孔碳材料的非吸附面，涂覆过程中的吸附强度为30N/cm2，基台匀速转动将涂覆后的材料连续传送，导电浆料和多孔碳材料的质量比为1/5；
[0056] 4)涂覆后的材料经过800℃烧结处理3h，获得仅具有混合层和导电微孔层结合为一体气体扩散层。
[0057] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或
修改，这并不影响本发明的实质内容。
