專利名稱：一種具有梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層及其制備和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，具體地說涉及一種具有梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層及其制備方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種電化學(xué)發(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高00-60% )，環(huán)境友好等突出優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。它能低溫啟動(dòng)，無電解質(zhì)腐蝕和泄漏，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，在電動(dòng)汽車、區(qū)域性電站、航天器、便攜式電源等領(lǐng)域具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，其適應(yīng)遠(yuǎn)航程的特點(diǎn)對(duì)水下作戰(zhàn)平臺(tái)等水下深潛器的開發(fā)極具吸引力，近年來引起人們廣泛的關(guān)注。堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFC)，是指采用堿性聚合物電解質(zhì)作為電荷傳遞載體的燃料電池，又簡(jiǎn)稱為堿性膜燃料電池。這里的電荷，主要指0H—，在電池中OH—的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閺年帢O通過陰離子膜(AEM)向陽(yáng)極傳遞。從原理上看，AAEMFC結(jié)合了質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和傳統(tǒng)的堿性燃料電池(AFC)的優(yōu)勢(shì)如膜電極結(jié)構(gòu)緊湊，不使用強(qiáng)堿溶液 (如Κ0Η)，因而不會(huì)析出碳酸鹽沉淀，從而對(duì)電極的憎水性、孔結(jié)構(gòu)等沒有破壞作用，也不會(huì)出現(xiàn)堿液滲漏等問題；與PEMFC采用酸性聚合物電解質(zhì)不同，AAEMFC中的電解質(zhì)是堿性的，腐蝕性相對(duì)于酸性電解質(zhì)要弱得多，從而對(duì)催化劑的穩(wěn)定性要求降低，除可使用Pt外， 還可以使用廉價(jià)金屬，如Ni，Co等，不但拓寬了催化劑的使用范圍，而且對(duì)于降低燃料電池的成本具有重要意義。由于AAEMFC研究的時(shí)間較短，其關(guān)鍵材料與部件等的研究和開發(fā)均處于初始階段，除急需開發(fā)高OH—傳導(dǎo)能力、高機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的陰離子交換膜和用于立體化的離子交換樹脂以及提高非貴催化劑活性和穩(wěn)定性之外，目前存在的關(guān)鍵問題還有如下兩占.(1)陰極反應(yīng)水的傳質(zhì)問題在AAEMFC中，陰極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為02+2H20+4e" — 40F可以發(fā)現(xiàn)，H2O是反應(yīng)物。研究表明，即使是在高濕度供氣條件下，向陰極供應(yīng)水的主要來源依然是陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)生成水的反擴(kuò)散。在陰極，由于受到反應(yīng)氣體A尾氣排出以及電極結(jié)構(gòu)的限制，作為反應(yīng)物之一的水向陰極反應(yīng)活性位的傳質(zhì)受限，因此，如何從陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面降低陰極H2O的排出速度，保持陰極電化學(xué)反應(yīng)所需的H2O,是目前AAEMFC 炙待解決的一個(gè)關(guān)鍵性問題。(2)使用H2的陽(yáng)極電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化在AAEMFC中，陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)既要及時(shí)提供電化學(xué)反應(yīng)所需的氣體，還必須將反應(yīng)產(chǎn)物(包括氣體和水)迅速排出電池，類似于一體化可再生燃料電池(URFC)電極的功能，因此，陽(yáng)極的親疏水性必須適中，才能滿足上述需求。在燃料電池中，氣體擴(kuò)散層(GDL)具有支撐催化層和電解質(zhì)膜、收集電流、傳遞反應(yīng)氣體和產(chǎn)物以及傳熱等多種功能。⑶L通常由具有大孔的石墨支撐體(炭紙或炭布)和小孔的微孔層(MPL)構(gòu)造雙孔結(jié)構(gòu)，并使用具有粘結(jié)和憎水作用的有機(jī)高分子材料(如聚四氟乙烯等)進(jìn)行處理，以獲得傳遞氣體的憎水孔和排出生成水的親水孔系統(tǒng)。迄今為止，有關(guān)堿性AAEMFC用氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)及制備方法方面的專利較少，大部分研究者沿用酸性燃料電池(如PEMFC)的⑶L結(jié)構(gòu)，如專利US2003/0091891、US6127059， CN98109696, CN96198611等認(rèn)為在疏水處理的氣體擴(kuò)散層表面均勻涂覆一層由高導(dǎo)電性炭黑與憎水劑構(gòu)成的微孔層(MPL)能夠有效的處理好水汽傳送的問題。潘牧等在CN1309109C 中通過在微孔層中加入造孔劑(如氯化銨、碳酸鋰等)從而構(gòu)建出縱截面為梯形的梯度孔來促進(jìn)液態(tài)水的迅速排出。US 6，605，381B1通過在電極催化層與流場(chǎng)之間的氣體擴(kuò)散層局部區(qū)域內(nèi)構(gòu)建透氣率逐漸增加的梯度，改善反應(yīng)氣體在流場(chǎng)板和催化層內(nèi)的均勻分布。綜上可知，針對(duì)AAEMFC所急需的保持陰極反應(yīng)水方面的適用GDL結(jié)構(gòu)很少，大部分研究者采用向電極催化層內(nèi)添加保水組分，如SiO2, TiO2等來增加電極的保水性，但是，這類氧化物幾乎沒有導(dǎo)電性，增加了電池的內(nèi)阻，同時(shí)，催化層內(nèi)液態(tài)水對(duì)催化劑粒子的包覆作用還會(huì)阻礙反應(yīng)氣體向催化活性位遷移的速度，從而對(duì)電池性能具有一定的負(fù)面影響。 CN101662031A公開了一種具有較低氣體擴(kuò)散率的氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，通過向微孔層中添加分散均勻的導(dǎo)電薄片(如石墨薄片)等各向異性的顆粒，降低微孔層的孔隙率，提高氣體通過微孔層的傳遞阻力，從而賦予GDL良好的保水能力，以應(yīng)用于干燥條件下運(yùn)行的燃料電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好保水能力的氣體擴(kuò)散層及其制備方法，以解決堿性陰離子交換膜燃料電池和較低增濕操作條件下的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極缺水的技術(shù)難題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案與特征如下一種具有梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層，所述氣體擴(kuò)散層由大孔炭基支撐體和微孔層疊合組成；其中，大孔炭基支撐體與電池流場(chǎng)相鄰，與流場(chǎng)相鄰的氣體擴(kuò)散層表面為第一表面；微孔層與膜電極催化層相鄰，與催化層相鄰的氣體擴(kuò)散層表面為第二表面；所述氣體擴(kuò)散層的特征在于構(gòu)成微孔層的組成材料從遠(yuǎn)離電池流場(chǎng)的大孔炭基支撐體一側(cè)鑲嵌到大孔炭基支撐體內(nèi)，構(gòu)成過渡孔層；且于大孔炭基支撐體內(nèi)、從電池流場(chǎng)向膜電極催化層的方向上微孔層組成材料的含量逐漸增加；即微孔層的組成材料濃度從第一表面向第二表面方向上呈遞增趨勢(shì)。所述氣體擴(kuò)散層是通過將微孔層的組成材料從遠(yuǎn)離電池流場(chǎng)的大孔炭基支撐體一側(cè)嵌入，使氣體擴(kuò)散層中自第一表面向第二表面方向上反應(yīng)氣體傳遞的曲率呈梯度增加趨勢(shì)，空氣透氣率由4 10s/100ml逐漸降低至100 900s/100ml ；所述過渡孔層由微孔層的組成材料和大孔炭基支撐體的纖維構(gòu)成，其中過渡孔層的厚度為大孔炭基支撐體的厚度；所述微孔層的組成材料包括導(dǎo)電材料、憎水粘結(jié)劑，其中導(dǎo)電材料和憎水粘結(jié)劑的比例為1 9 9 1，導(dǎo)電材料總擔(dān)載量為2 6mg/cm2。；所述導(dǎo)電材料為活性炭、介孔炭或石墨粉，憎水粘結(jié)劑為聚四氟乙烯樹脂、聚偏氟乙烯樹脂、聚偏氟丙稀樹脂、聚全氟丙稀樹脂或聚全氟乙丙稀樹脂的微粉、溶液或乳液。所述氣體擴(kuò)散層的大孔炭基支撐體為導(dǎo)電編織炭布或?qū)щ姺蔷幙椞考?，其孔徑范圍?0微米>大孔炭基支撐體的平均孔徑> 1微米，空氣透氣率為4 10S/100ml。
所述氣體擴(kuò)散層的制備方法，特征在于過渡孔層和微孔層的制備在壓力作用下將微孔層漿料分2次或2次以上從大孔炭基支撐體的一側(cè)均勻滲透至經(jīng)過預(yù)處理的大孔炭基支撐體內(nèi)部；壓力自第二表面向第一表面方向施加，使大孔炭基支撐體上于第二表面?zhèn)扰c第一表面?zhèn)乳g的壓力差為0. l_6Mpa，得過渡孔層；于過渡孔層的第二表面方向側(cè)制備微孔層。所述氣體擴(kuò)散層的制備方法，其特征在于在分2 10次將微孔層漿料滲透至大孔炭基支撐體內(nèi)部時(shí)，相鄰2次滲透施壓過禾呈，使大孔炭基支撐體上于第二表面?zhèn)扰c第一表面?zhèn)乳g的壓力差呈遞減的趨勢(shì)，即后一次的壓力差小于前一次的壓力差。施加壓力滲透的最佳次數(shù)為3 5次；所述壓力方法為絲網(wǎng)印刷法或噴涂法或抽真空法。所述氣體擴(kuò)散層的制備過程如下1)大孔炭基支撐體的預(yù)處理將導(dǎo)電編織炭布或?qū)щ姺蔷幙椞考埥n于含有1 10wt%憎水劑的分散液中，浸漬后導(dǎo)電編織炭布或?qū)щ姺蔷幙椞考堉性魉畡┑馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 30wt%，然后進(jìn)行焙燒處理并在高于憎水劑玻璃化溫度5 15°C條件下保溫40 60min，得到預(yù)處理的大孔炭基支撐體；所述憎水劑為聚四氟乙烯樹脂、聚偏氟乙烯樹脂、聚偏氟丙稀樹脂、聚全氟丙稀樹脂或聚全氟乙丙稀樹脂的微粉、溶液或乳液；所述分散液中的溶劑為去離子水、無水乙醇、乙二醇、1，2-丙二醇、丙三醇、異丙醇或N，N-二甲基甲酰胺中的一種或一種以上的混合溶液；2)微孔層漿料的制備將導(dǎo)電材料和憎水劑按1 9 9 1比例分散于分散劑中，分散劑為導(dǎo)電材料質(zhì)量的10 50倍，在超聲波中振蕩混合至均勻，得到微孔層漿料，其中導(dǎo)電材料擔(dān)量為2 6mg/cm2 ；所述分散劑為無水乙醇、乙二醇、1，2-丙二醇、丙三醇、異丙醇或N，N- 二甲基甲酰胺中的一種或一種以上的混合溶液。按照上述方法制備的具有梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層可用于堿性燃料電池或低增濕燃料電池中。本發(fā)明提出的具有梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)在控制壓力下使微孔層組分在氣體擴(kuò)散層厚度方向呈梯度分布，從而在大孔層和微孔層之間構(gòu)建出過渡孔層。微孔層有效組分在氣體擴(kuò)散層(GDL)截面方向的多級(jí)梯度分布最大程度地保持了大孔支撐層的本體孔結(jié)構(gòu)，使GDL具有很好的透氣能力，能及時(shí)供應(yīng)燃料電池陰極電化學(xué)反應(yīng)所需的反應(yīng)氣體；同時(shí)由于導(dǎo)電材料和憎水劑滲入到多孔支撐層內(nèi)部，粉末狀的導(dǎo)電材料增加了 GDL的曲率，液態(tài)水必須通過非直線路徑通過過渡層， 從而延長(zhǎng)了產(chǎn)物水傳遞的路徑，有利于保持電池內(nèi)部的液態(tài)水，同時(shí)不會(huì)對(duì)催化層內(nèi)的催化活性位形成“水淹”的威脅，特別適用于低濕度條件下運(yùn)行的燃料電池以及堿性燃料電池的陰極。(2)由于滲入⑶L截面方向的材料是MPL中的組分，在多孔支撐層與MPL之間不存在明顯的界面，有利于反應(yīng)氣體和產(chǎn)物的有效傳遞；(3)導(dǎo)電材料在過渡層內(nèi)的分布增加氣體擴(kuò)散層截面的導(dǎo)電性，有利于降低氣體擴(kuò)散層的本體電阻；(4)表面致密微孔層的存在降低了 GDL與催化層之間的接觸電阻，并有效降低多孔支撐層的表面孔隙率，防止催化劑漿料滲入GDL，提高了催化劑的利用率，特別適合于制備氣體擴(kuò)散電極。(5)制備工藝簡(jiǎn)單，容易控制。


圖1為本發(fā)明具有梯度結(jié)構(gòu)擴(kuò)散層的示意圖。其中 導(dǎo)電粉末+憎水劑1 一級(jí)梯度孔2 二級(jí)梯度孔3三級(jí)梯度孔4四級(jí)梯度孔5微孔層圖2為本發(fā)明實(shí)施例1，2和比較例制備的具有梯度結(jié)構(gòu)氣體擴(kuò)散層組裝的膜電極三合一在堿性陰離子膜燃料電池中的放電性能比較圖。其中電池操作條件為背壓PH2 = Pair = 28psig ；電池溫度60°C ；相對(duì)濕度 85% ；H2 流量200sccm ；O2 流量150sccm圖3為本發(fā)明實(shí)施例1，2和比較例制備的具有梯度結(jié)構(gòu)氣體擴(kuò)散層組裝的膜電極三合一在低濕度質(zhì)子交換膜燃料電池重點(diǎn)的放電性能比較圖。其中電池操作條件為背壓PH2 = Pair = 28psig ；電池溫度45°C ；相對(duì)濕度 40% ；H2 流量200sccm，Air 流量1. 2slpm。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1用去離子水將濃度為60%聚四氟乙烯乳液稀釋至2%，然后將BallardEP40(空氣透氣率為4.5s/100ml)放入所配制的PTFE乳液中5min后取出，在80°C烘箱中干燥后，進(jìn)行第二次浸漬、干燥等處理，采用稱重法計(jì)算炭紙中PTFE質(zhì)量含量，直至PTFE的質(zhì)量含量達(dá)到20%。最后，將炭紙送入350°C焙燒爐中處理40min。稱取導(dǎo)電炭黑1. Og,加入25g乙二醇，超聲攪拌30min后，按照導(dǎo)電炭黑PTFE =1 1的比例將計(jì)算用量的10% PTFE乳液加入到導(dǎo)電炭黑的漿料中，繼續(xù)超聲并攪拌 30min后備用。將經(jīng)PTFE處理的炭紙固定在絲網(wǎng)印刷機(jī)的平臺(tái)上，保證印刷面積為 15(^200 (mm2)，通過調(diào)節(jié)控制印刷刀高度的螺母下邊緣與橫梁支撐臺(tái)之間的距離D調(diào)節(jié)印刷刀頭在炭紙表面施加的壓力大小，D越小，代表炭紙表面受到的壓力越大。將D調(diào)節(jié)為2.5cm,對(duì)微孔層漿料進(jìn)行第一次印刷，在此壓力下，微孔層漿料恰好滲入到炭紙與網(wǎng)印機(jī)接觸的表面(第一表面)，通過原位加熱干燥后，得到具有一級(jí)梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層； 調(diào)節(jié)D至2. 8cm進(jìn)行第二次印刷，微孔層漿料的滲入深度略小，原位干燥后得到具有二級(jí)梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層；如此反復(fù)，控制D的增加步長(zhǎng)為0. 3cm,當(dāng)D = 3. 7cm時(shí)，印刷的漿料均勻平鋪在炭紙的表面，從而得到微孔層。在本實(shí)施例中，D = 2. 5cm對(duì)應(yīng)于印刷面所承受的壓力為5Mpa，D的增加步長(zhǎng)0. 3cm對(duì)應(yīng)于印刷面所承受的壓力降低0. 6Mpa。將制得的上述氣體擴(kuò)散層放進(jìn)焙燒爐中，按照5°C /min的升溫速度加熱升溫、并于340°C保溫40min后，自然降溫至100°C以下，取出，由此制得具有梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層。在本實(shí)施例中，氣體擴(kuò)散層中導(dǎo)電材料的總擔(dān)載量為3. Omg/cm2，獲得的氣體擴(kuò)散層具有四級(jí)梯度孔結(jié)構(gòu)，對(duì)空氣的最終透氣率為600s/100ml。將所制得的燃料電池用氣體擴(kuò)散層與陰離子交換膜和陽(yáng)極制備的膜電極三合一組裝為堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFC)，電池有效面積為25cm2，MEA中的催化劑為 30 % Pt/C，陰陽(yáng)極催化層中的Pt擔(dān)量均為0. 5mg/cm2。陰離子交換膜為FAA商業(yè)化膜(厚度為70 μ m，離子交換容量為1. 6mmolg_1, Fuma-Tech, GMbH公司)。陰離子交換樹脂為TPQPOH 聚合物(一種季膦的氫氧化物，自制)，離子交換容量為1. SOmmolg-10催化層中聚合物與C 的質(zhì)量比為0.4 1。圖2中的1#曲線為本實(shí)施例在氫氣-氧氣為反應(yīng)氣條件下的放電性能，電池操作條件同

。將所制得的燃料電池用氣體擴(kuò)散層與膜電極三合一組裝為酸性陽(yáng)離子交換膜燃料電池(PEMFC)，MEA中的催化劑為40% Pt/C,陰陽(yáng)極催化層中的Pt擔(dān)量均為0. 4mg/ cm2。質(zhì)子交換膜為NRE212商業(yè)化膜(厚度為50 μ m, Dupont公司)。立體化試劑為商業(yè)化 DE521 (Dupont公司)。催化層中立體化試劑與催化劑的質(zhì)量比為1 2。圖3中的1#曲線為本實(shí)施例在相對(duì)濕度為40%的氫氣-空氣為反應(yīng)氣條件下的放電性能，電池操作條件同

。實(shí)施例2用N，N-二甲基吡咯烷酮將濃度為60%聚偏氟乙烯溶解并稀釋至2 %，然后將 Toray TGP-H-090 (空氣透氣率為6. 62s/100ml)放入所配制的PVDF溶液中5min后取出，在 80°C烘箱中干燥后，進(jìn)行第二次浸漬、干燥等處理，采用稱重法計(jì)算炭紙中PVDF質(zhì)量含量， 直至PVDF的質(zhì)量含量達(dá)到20%。最后，將炭紙送入190°C焙燒爐中處理40min。稱取導(dǎo)電炭黑(粒度為30nm)0.6g，加入30gNMP，超聲攪拌30min后，按照導(dǎo)電炭黑PVDF = 6 4的比例將計(jì)算用量的5% PVDF溶液加入到導(dǎo)電炭黑的漿料中，繼續(xù)超聲并攪拌30min后備用。采用噴涂法制備過渡孔層和微孔層。將經(jīng)PVDF處理的炭紙固定在平板加熱臺(tái)上， 保證有效面積為15(^200 (mm2)，通過調(diào)節(jié)噴槍入口的壓力控制在炭紙表面施加的壓力大小 P，噴槍入口壓力越大，代表炭紙表面受到的壓力越大。將P調(diào)節(jié)為5.0Mpa，對(duì)微孔層漿料進(jìn)行第一次噴涂，在此噴涂壓力下，微孔層漿料恰好滲入到炭紙與平板加熱臺(tái)接觸的表面 (稱為第一表面)，通過原位加熱干燥后，得到具有一級(jí)梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層；調(diào)節(jié)P至 3.5Mpa進(jìn)行第二次噴涂，微孔層漿料的滲入深度略小，原位干燥后得到具有二級(jí)梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層；如此反復(fù)，控制P的減小步長(zhǎng)為1. 5Mpa,當(dāng)P = 0. 5Mpa時(shí)，噴涂的漿料均勻平鋪在炭紙的表面，得到微孔層。將制得的上述氣體擴(kuò)散層放進(jìn)焙燒爐中，在按照5°C /min的升溫速度加熱升溫、 并于190°C保溫40min后，自然降溫至100°C以下，取出，由此制得具有梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層。在本實(shí)施例中，氣體擴(kuò)散層中導(dǎo)電材料的總擔(dān)載量為2. Omg/cm2，獲得的氣體擴(kuò)散層具有三級(jí)梯度孔結(jié)構(gòu)，空氣透氣率為400s/100ml。將所制得的燃料電池用氣體擴(kuò)散層與陰離子交換膜和陽(yáng)極制備的膜電極三合一組裝為堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFC)，MEA中的催化劑為30% Pt/C，陰陽(yáng)極催化層中的Pt擔(dān)量均為0. ;3mg/cm2。圖2中的姊曲線為本實(shí)施例在氫氣-氧氣為反應(yīng)氣條件下的放電性能，電池操作條件同

。將所制得的燃料電池用氣體擴(kuò)散層與NRE212膜和陽(yáng)極制備的膜電極三合一組裝為酸性陽(yáng)離子交換膜燃料電池(PEMFC)，MEA中的催化劑為40% Pt/C,陰陽(yáng)極催化層中的 Pt擔(dān)量均為0. ;3mg/cm2。圖3中的姊曲線為本實(shí)施例在相對(duì)濕度為40%的氫氣-空氣為反應(yīng)氣條件下的放電性能，電池操作條件同

。比較例用去離子水將濃度為60%聚四氟乙烯乳液稀釋至2%，然后將TorayTGP-H-090放入所配制的PTFE乳液中5min后取出，在80°C烘箱中干燥后，進(jìn)行第二次浸漬、干燥等處理， 采用稱重法計(jì)算炭紙中PTFE質(zhì)量含量，直至PTFE的質(zhì)量含量達(dá)到20 %。最后，將炭紙送入 350 °C焙燒爐中處理40min。稱取導(dǎo)電炭黑1. Og,加入25g乙二醇，超聲攪拌30min后，按照導(dǎo)電炭黑PTFE =1 1的比例將計(jì)算用量的10% PTFE乳液加入到導(dǎo)電炭黑的漿料中，繼續(xù)超聲并攪拌 30min后備用。將經(jīng)PTFE處理的炭紙固定在絲網(wǎng)印刷機(jī)的平臺(tái)上，保證印刷面積為 15(^200 (mm2)，調(diào)節(jié)控制控制印刷刀高度的螺母下邊緣與橫梁支撐臺(tái)之間的距離D為 3. 7cm，將微孔層漿料均勻平鋪在炭紙的表面，原位加熱干燥后，得到微孔層。其中，微孔層的有效組分在大孔支撐體的厚度方向上沒有滲透。將所制得的燃料電池用氣體擴(kuò)散層與陰離子交換膜和陽(yáng)極制備的膜電極三合一組裝為堿性陰離子交換膜燃料電池(AAEMFC)，MEA中的催化劑為30% Pt/C,陰陽(yáng)極催化層中的Pt擔(dān)量均為0. ;3mg/cm2。圖2中的3#曲線為本實(shí)施例在氫氣-氧氣為反應(yīng)氣條件下的放電性能，電池操作條件同

。將所制得的燃料電池用氣體擴(kuò)散層與NRE212膜和陽(yáng)極制備的膜電極三合一組裝為酸性陽(yáng)離子交換膜燃料電池(PEMFC)，MEA中的催化劑為40% Pt/C,陰陽(yáng)極催化層中的 Pt擔(dān)量均為0. ;3mg/cm2。圖3中的3#曲線為本實(shí)施例在相對(duì)濕度為40%的氫氣-空氣為反應(yīng)氣條件下的放電性能，電池操作條件同

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權(quán)利要求
1.一種具有梯度孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層，所述氣體擴(kuò)散層由大孔炭基支撐體和微孔層疊合組成；其中，大孔炭基支撐體與電池流場(chǎng)相鄰，與流場(chǎng)相鄰的氣體擴(kuò)散層表面為第一表面；微孔層與膜電極催化層相鄰，與催化層相鄰的氣體擴(kuò)散層表面為第二表面；其特征在于構(gòu)成微孔層的組成材料從遠(yuǎn)離電池流場(chǎng)的大孔炭基支撐體一側(cè)鑲嵌到大孔炭基支撐體內(nèi)，構(gòu)成過渡孔層；且于大孔炭基支撐體內(nèi)、從電池流場(chǎng)向膜電極催化層的方向上微孔層組成材料的含量逐漸增加；即微孔層的組成材料濃度從第一表面向第二表面方向上呈遞增趨勢(shì)。
2.按照權(quán)利要求1所述氣體擴(kuò)散層，其特征在于通過微孔層的組成材料從遠(yuǎn)離電池流場(chǎng)的大孔炭基支撐體一側(cè)嵌入，使氣體擴(kuò)散層中自第一表面向第二表面方向上的空氣透氣率由4 10s/100ml逐漸降低至100 900s/100ml ；所述過渡孔層從第一表面向第二表面方向上反應(yīng)氣體傳遞的曲率呈梯度增加趨勢(shì)，空氣透氣率呈遞減趨勢(shì)。
3.按照權(quán)利要求1所述氣體擴(kuò)散層，其特征在于所述過渡孔層由微孔層的組成材料和大孔炭基支撐體的纖維構(gòu)成，其中過渡孔層的厚度為大孔炭基支撐體的厚度；所述微孔層的組成材料包括導(dǎo)電材料、憎水粘結(jié)劑；所述導(dǎo)電材料為活性炭、介孔炭或石墨粉，憎水粘結(jié)劑為聚四氟乙烯樹脂、聚偏氟乙烯樹脂、聚偏氟丙稀樹脂、聚全氟丙稀樹脂或聚全氟乙丙稀樹脂的微粉、溶液或乳液。
4.按照權(quán)利要求1所述氣體擴(kuò)散層，其特征在于其中導(dǎo)電材料和憎水粘結(jié)劑的比例為1 9 9 1，導(dǎo)電材料總擔(dān)載量為2 6mg/cm2。
5.按照權(quán)利要求1所述氣體擴(kuò)散層，其特征在于所述大孔炭基支撐體為導(dǎo)電編織炭布或?qū)щ姺蔷幙椞考垼?0微米>大孔炭基支撐體的平均孔徑> 1微米，空氣透氣率為4 10s/100ml。
6.一種權(quán)利要求1所述氣體擴(kuò)散層的制備方法，其特征在于過渡孔層和微孔層的制備在壓力作用下將微孔層漿料分2次或2次以上從大孔炭基支撐體的一側(cè)均勻滲透至經(jīng)過預(yù)處理的大孔炭基支撐體內(nèi)部；壓力自第二表面向第一表面方向施加，使大孔炭基支撐體上于第二表面?zhèn)扰c第一表面?zhèn)乳g的壓力差為0. l_6MPa，得過渡孔層；于過渡孔層的第二表面方向側(cè)制備微孔層。
7.按照權(quán)利要求6所述氣體擴(kuò)散層的制備方法，其特征在于在分2 10次將微孔層漿料滲透至大孔炭基支撐體內(nèi)部時(shí)，相鄰2次滲透施壓過程， 使大孔炭基支撐體上于第二表面?zhèn)扰c第一表面?zhèn)乳g的壓力差呈遞減的趨勢(shì)，即后一次的壓力差小于前一次的壓力差。
8.按照權(quán)利要求6或7所述氣體擴(kuò)散層的制備方法，其特征在于施加壓力滲透的最佳次數(shù)為3 5次；所述壓力方法為絲網(wǎng)印刷法或噴涂法或抽真空法。
9.按照權(quán)利要求6所述氣體擴(kuò)散層的制備方法，其特征在于1)大孔炭基支撐體的預(yù)處理將導(dǎo)電編織炭布或?qū)щ姺蔷幙椞考埥n于含有1 10wt%憎水粘結(jié)劑的分散液中，浸漬后憎水劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 30wt%，然后進(jìn)行焙燒處理并在高于憎水劑玻璃化溫度5 15°C條件下保溫40 60min，得到預(yù)處理的大孔炭基支撐體；所述憎水粘結(jié)劑為聚四氟乙烯樹脂、聚偏氟乙烯樹脂、聚偏氟丙稀樹脂、聚全氟丙稀樹脂或聚全氟乙丙稀樹脂的微粉、溶液或乳液；所述分散液中的溶劑為去離子水、無水乙醇、乙二醇、1，2_丙二醇、丙三醇、異丙醇或 N，N-二甲基甲酰胺中的一種或一種以上的混合溶液； 2)微孔層漿料的制備將導(dǎo)電材料和憎水劑按1 9 9 1比例分散于分散劑中，分散劑為導(dǎo)電材料質(zhì)量的10 50倍，在超聲波中振蕩混合至均勻，得到微孔層漿料，其中導(dǎo)電材料擔(dān)量為2 6mg/2cm ；所述分散劑為無水乙醇、乙二醇、1，2-丙二醇、丙三醇、異丙醇或N，N-二甲基甲酰胺中的一種或一種以上的混合溶液。
10. 一種權(quán)利要求1所述的氣體擴(kuò)散層可用于堿性燃料電池或低增濕燃料電池中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池用具有梯度結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層及其制備方法和應(yīng)用。所述氣體擴(kuò)散層由大孔炭基支撐體和微孔層疊合組成，構(gòu)成微孔層的組成材料從遠(yuǎn)離電池流場(chǎng)的大孔炭基支撐體一側(cè)鑲嵌到大孔炭基支撐體內(nèi)，構(gòu)成過渡孔層；所述過渡孔層由微孔層的組成材料和大孔炭基支撐體的纖維構(gòu)成，是通過微孔層的組成材料從遠(yuǎn)離電池流場(chǎng)的大孔炭基支撐體一側(cè)嵌入得到的；所述氣體擴(kuò)散層中自與流場(chǎng)相鄰的一側(cè)向與催化層相鄰的一側(cè)方向上的反應(yīng)氣體傳遞的曲率呈梯度增加趨勢(shì)，空氣透氣率由4～10s/100ml逐漸降低至100～900s/100ml。該結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層有效增加了水和氣體在GDL內(nèi)的傳質(zhì)曲率，延長(zhǎng)了產(chǎn)物水傳遞的路徑，有利于保持電池內(nèi)部的液態(tài)水，特別適用于低濕度條件下運(yùn)行的燃料電池以及堿性燃料電池的陰極。
文檔編號(hào)H01M8/02GK102456891SQ20101052479
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者張鳳祥, 張華民, 曲超, 董明全, 邱艷玲 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所