專利名稱：一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種質子交換膜燃料電池制備技術，特別是一種質子交換膜燃料電 池的氣體擴散層及其制備方法。
背景技術：
質子交換膜燃料電池是一種通過氫和氧的電化學反應產生直流電的發(fā)電系統(tǒng)。 具體的反應過程為2H2 — 4H++4e"(1)02+4e 202>4H+ — 2H20 (2)方程(1)表示發(fā)生在陽極的氧化反應。在這個過程中氫分子變成質子和電子， 質子傳導至陰極。方程(2)表示發(fā)生在陰極的還原反應。在這個過程中，氧原子接受電 子成為氧離子，氧離子與來自于陽極的氫質子反應生成水分子。氫氧的反應是在電極上進行的，由于反應的連續(xù)進行，因此需要氣體的不斷供 給及生產水的不斷排出。由于氣體擴散層具備這一功能，因此，氣體擴散層的氣體供給 及生成水的排出也是影響燃料電池發(fā)電、輸出能力的一個重要因素。而通常使用的氣體 擴散層，其微孔層與基底層的孔隙率的落差較大，尤其是對生成水的排出不利。

發(fā)明內容
為解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明要設計一種可以改善電池運行中氣體 的擴散及生成水的排出的質子交換膜燃料電池的氣體擴散層及其制備方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層，包括基底層和微孔層，所述的微孔層 由微孔襯層和微孔表層組成。本發(fā)明所述的基底層采用大孔徑的碳紙或碳布材料，再經PTFE疏水處理以及高 溫焙燒制得；疏水處理后的基底材料中PTFE的質量百分含量10% 20%。本發(fā)明所述的微孔襯層位于基底層和微孔表層之間，微孔襯層是孔隙率較大和 疏水性較強的微孔層，微孔表層是與微孔襯層相比具有孔隙率較小和疏水性較弱的微孔層。本發(fā)明所述的第一微孔層厚度為5 lOiim，孔隙率為40% 50% ；微孔 表層的厚度為10 15 iim，孔隙率為30% 40%。一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層的制備方法，包括以下步驟A、憎水化處理將多孔碳紙在質量百分含量為 3%的PTFE乳液中浸漬， 至碳紙中PTFE的增加量占總質量的10% 20%，然后經340°C焙燒，制得基底層；B、配制料漿分別按照微孔襯層和微孔表層的用料比例，將碳粉、PTFE乳 液、造孔劑以及適量的異丙醇在超聲波中攪拌，配制成微孔襯層和微孔表層的漿料；C、微孔層涂制先將微孔襯層的漿料涂制在經過憎水化處理的基底層上，達到所需控制的厚度后，再使用微孔表層的漿料，繼續(xù)涂制到所要求的厚度；D、高溫下焙燒將涂敷完漿料的基底層在340°C高溫下焙燒，就制得了雙微孔 層的氣體擴散層。本發(fā)明所述的基底層采用大孔徑的碳紙或碳布材料，再經PTFE疏水處理以及高 溫焙燒制得；疏水處理的基底材料的PTFE質量百分含量為10% 20%。本發(fā)明所述的微孔層由導電碳粉、疏水劑以及造孔劑涂制后再經高溫焙燒后制 得；導電碳粉通常為Vulcan XC-72碳粉和乙炔黑或珍珠碳，造孔劑為碳酸銨、碳酸氫銨 或草酸胺。本發(fā)明所述的微孔襯層制作后不經焙燒再直接進行微孔表層的制作，微孔襯層 的孔隙率及疏水性高于微孔表層。本發(fā)明所述的微孔襯層和微孔表層的材料包括導電碳粉、疏水劑和造孔劑；其 中，微孔襯層中造孔劑的添加量占導電碳粉量的質量百分含量為200% 300%，漿料中 PTFE的質量百分含量為40% 60%;微孔表層中造孔劑的添加量占導電碳粉量的質量百 分含量為50% 100%，漿料中PTFE的質量百分含量為10% 30%。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果1、由于燃料電池反應中氣體是由基底層向微孔層的擴散過程，因此，本發(fā)明通 過對氣體擴散層中微孔層的分步制作，使氣體擴散層由基底層至兩層微孔層的孔隙率形 成了梯度遞減，更有利于反應氣的擴散。2、由于燃料電池反應生成水的排出是由微孔層向基底層，因此，本發(fā)明通過對 氣體擴散層中基底層及微孔層的親疏水調整，使擴散層的親水性形成了一種反向遞減的 結構，更有利于電池生成水的排出。3、由于燃料電池在高電流密度下運行，擴散極化影響為主導因素，因此，本發(fā) 明通過改善氣體擴散層，可提高電池的運行操作點，電池的功率可顯著提高。


本發(fā)明僅有附圖1張，其中圖1是質子交換膜燃料電池的氣體擴散層的結構示意圖。圖中1、基底層，2、微孔襯層，3、微孔表層。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進行進一步地描述。如圖1所示，一種質子交換膜燃料 電池的氣體擴散層，包括基底層1和微孔層，所述的微孔層由微孔襯層2和微孔表層3組 成。所述的基底層1采用大孔徑的碳紙或碳布材料，再經PTFE疏水處理以及高溫焙燒 制得；疏水處理后的基底材料中PTFE的質量百分含量10% 20%。所述的微孔襯層2 位于基底層1和微孔表層3之間，微孔襯層2是孔隙率較大和疏水性較強的微孔層，微孔 表層3是與微孔襯層2相比具有孔隙率較小和疏水性較弱的微孔層。所述的第一微孔層 厚度為5 lOiim，孔隙率為40% 50%;微孔表層3的厚度為10 15 y m，孔隙 率為30% 40%。一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層的制備方法，包括以下步驟
A、憎水化處理將多孔碳紙在質量百分含量為 3%的PTFE乳液中浸漬， 至碳紙中PTFE的增加量占總質量的10% 20%，然后經340°C焙燒，制得基底層1 ；B、配制料漿分別按照微孔襯層2和微孔表層3的用料比例，將碳粉、PTFE 乳液、造孔劑以及適量的異丙醇在超聲波中攪拌，配制成微孔襯層2和微孔表層3的漿 料；C、微孔層涂制先將微孔襯層2的漿料涂制在經過憎水化處理的基底層1上， 達到所需控制的厚度后，再使用微孔表層3的漿料，繼續(xù)涂制到所要求的厚度；D、高溫下焙燒將涂敷完漿料的基底層1在340°C高溫下焙燒，就制得了雙微 孔層的氣體擴散層。本發(fā)明所述的基底層1采用大孔徑的碳紙或碳布材料，再經PTFE疏水處理以及 高溫焙燒制得；疏水處理的基底材料的PTFE質量百分含量為10% 20%。所述的微孔 層由導電碳粉、疏水劑以及造孔劑涂制后再經高溫焙燒后制得；導電碳粉通常為Vulcan XC-72碳粉和乙炔黑或珍珠碳，造孔劑為碳酸銨、碳酸氫銨或草酸胺。所述的微孔襯層2 制作后不經焙燒再直接進行微孔表層3的制作，微孔襯層2的孔隙率及疏水性高于微孔表 層3。所述的微孔襯層2和微孔表層3的材料包括導電碳粉、疏水劑和造孔劑；其中，微 孔襯層2中造孔劑的添加量占導電碳粉量的質量百分含量為200% 300%，漿料中PTFE 的質量百分含量為40% 60% ；微孔表層3中造孔劑的添加量占導電碳粉量的質量百分 含量為50% 100%，漿料中PTFE的質量百分含量為10% 30%。
權利要求
1.一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層，包括基底層(1)和微孔層，其特征在于 所述的微孔層由微孔襯層(2)和微孔表層(3)組成；所述的微孔襯層(2)位于基底層(1) 和微孔表層(3)之間，微孔襯層(2)是孔隙率較大和疏水性較強的微孔層，微孔表層(3) 是與微孔襯層⑵相比具有孔隙率較小和疏水性較弱的微孔層。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層，其特征在于所 述的基底層(1)采用大孔徑的碳紙或碳布材料，再經PTFE疏水處理以及高溫焙燒制得； 疏水處理后的基底材料中PTFE的質量百分含量10% 20%。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層，其特征在于所 述的微孔襯層厚度為5 10 μ m，孔隙率為40% 50% ；微孔表層(3)的厚度為10 15 μ m，孔隙率為30% 40%。
4.一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層的制備方法，其特征在于包括以下步驟A、憎水化處理將多孔碳紙在質量百分含量為 3%的PTFE乳液中浸漬，至碳 紙中PTFE的增加量占總質量的10% 20%，然后經340°C焙燒，制得基底層(1)；B、配制料漿分別按照微孔襯層(2)和微孔表層(3)的用料比例，將碳粉、PTFE 乳液、造孔劑以及適量的異丙醇在超聲波中攪拌，配制成微孔襯層(2)和微孔表層(3)的 漿料；C、微孔層涂制先將微孔襯層(2)的漿料涂制在經過憎水化處理的基底層(1)上， 達到所需控制的厚度后，再使用微孔表層(3)的漿料，繼續(xù)涂制到所要求的厚度；D、高溫下焙燒將涂敷完漿料的基底層(1)在340°C高溫下焙燒，就制得了雙微孔 層的氣體擴散層。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層的制備方法，其特征 在于所述的基底層(1)采用大孔徑的碳紙或碳布材料，再經PTFE疏水處理以及高溫焙 燒制得；疏水處理的基底材料的PTFE質量百分含量為10% 20%。
6.根據(jù)權利要求4所述的一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層的制備方法，其特 征在于所述的微孔層由導電碳粉、疏水劑以及造孔劑涂制后再經高溫焙燒后制得；導 電碳粉通常為Vulcan XC-72碳粉和乙炔黑或珍珠碳，造孔劑為碳酸銨、碳酸氫銨或草酸 胺。
7.根據(jù)權利要求4所述的一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層的制備方法，其特征 在于所述的微孔襯層(2)制作后不經焙燒再直接進行微孔表層(3)的制作，微孔襯層 (2)的孔隙率及疏水性高于微孔表層(3)。
8.根據(jù)權利要求4所述的一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層的制備方法，其特征 在于所述的微孔襯層(2)和微孔表層(3)的材料包括導電碳粉、疏水劑和造孔劑；其 中，微孔襯層(2)中造孔劑的添加量占導電碳粉量的質量百分含量為200% 300%，漿 料中PTFE的質量百分含量為40% 60% ；微孔表層(3)中造孔劑的添加量占導電碳粉 量的質量百分含量為50% 100%，漿料中PTFE的質量百分含量為10% 30%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種質子交換膜燃料電池的氣體擴散層及其制備方法，所述的擴散層包括基底層和微孔層，所述的微孔層由微孔襯層和微孔表層組成。所述的微孔襯層位于基底層和微孔表層之間，微孔襯層是孔隙率較大和疏水性較強的微孔層，微孔表層是與微孔襯層相比具有孔隙率較小和疏水性較弱的微孔層。所述的制備方法，包括憎水化處理、配制料漿、微孔層涂制和高溫下焙燒的步驟。由于燃料電池反應中氣體是由基底層向微孔層的擴散過程，因此，本發(fā)明通過對氣體擴散層中微孔層的分步制作，使氣體擴散層由基底層至兩層微孔層的孔隙率形成了梯度遞減，更有利于反應氣的擴散，更有利于電池生成水的排出，電池的功率可顯著提高。
文檔編號H01M8/02GK102024961SQ20101056363
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權日2010年11月29日
發(fā)明者侯中軍, 李奇, 趙恩介, 邢丹敏 申請人:新源動力股份有限公司