专利名称：用于燃料电池的金属气体扩散层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的材质及方法，具体是一种用于燃料电池 的金属气体扩散层及其制备方法。
背景技术：
燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，它直接将储存在燃料与氧化剂中的 化学能转化为电能，在大力发展低碳经济和建设低碳社会的背景下受到各国政府和研究机 构的高度重视。质子交换膜燃料电池PEMFC具有启动快，工作温度低，无噪声和无污染等优 点，在电动汽车、家用住宅、中小型发电站和便携式装置中有着广泛的应用前景。典型的质 子交换膜燃料电池主体为双极板，膜电极组件MEAs及相应的密封件单元的重复，最外两侧 为端板。膜电极组件通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜通过热压工艺制备而成。气体扩散层由导电导热的多孔材料组成，起到支撑催化层，收集电流与传导反应 气体和排出水等作用。碳纤维纸和碳纤维布具有较高的孔隙率和适宜的孔径分布，同时具 有较好的导热、导电特性和化学稳定，是目前应用最为广泛的气体扩散层材料。然而，碳纤 维纸和碳纤维布均为脆性材料，在装配压力、外界振动和反复拆装等情况下容易导致纤维 断裂、基体开裂、纤维与基体界面剥落等失效形式，影响电池寿命。经过对现有技术的检索发现，T. Matsuura等人见T. Matsuura, M. Kato, M. Hori, J. Power Sources, 2006,161 :74-78采用扫描电镜SEM的方法观察到了碳纸型⑶L与金属 双极板装配过程中明显的失效行为。同时，碳纤维型气体扩散层压缩模量较小，在装配压力 作用下导致较大的压缩变形，致使孔径和孔隙率发生变化，导致传质阻力增大，提高了浓差 极化损失，降低了燃料电池性能。P. aiou等人P. Zhou，C. W. ffu, J. Power Sources，2007， 170:93-100采用有限元分析的方法发现装配压力作用后双极板脊下气体浓度较装配压力 施加前降低了 70%，且出现严重的积水现象，降低了电池性能。此外，碳纤维型气体扩散层 不能进行弯曲，无法满足如中国专利ZL 97201080. 7, ZL 01126123. 4, ZL 03217133.1，ZL 200710043435. 4等中提出的新型质子交换膜结构设计要求。金属多孔材料具有较好的延展性和较大的压缩模量，同时具有良好的导热、导电 属性，有望代替碳纤维材料而成为气体扩散层，提高电池传质性能和电池耐久性能。经对现 有技术的检索发现，采用带微细孔的金属箔片作为气体扩散层可以改善排水性能。如F. -Y. Zhang 等人见 F. -Y. Zhang, S. G. Advani，A. K. Prasad, J. Power Sources, 176 :293-298]采 用光刻工艺在12. 5微米铜箔上制备了 35微米的气孔，K. Fushinobu等人见K. Fushinobu, D. Takahashi, K. Okazaki, J. Power Sources, 158 :1240_1245采用微细加工的方法在 10 微米的钛箔上加工出25微米的小孔，C. -Y. Lee等人见C. -Y. Lee, C. -H. Lin, Renewable Energy, 35 :759-762采用MEMs技术在50微米厚的不锈钢箔片上加工出150微米的小孔作 反应气体和水的通道。然而，采用带微细孔的金属箔片作为气体扩散层加工效率低，加工成 本较高，无法满足规模化生产要求。T. Hottinen等人T. Hottinen,M. Mikkola, T. Mennola, P. Lund, J. Power Sources 118 2003 183-188采用采用钛烧结毡作为PEMFC气体扩散层从而提高了膜电极结构强度和耐久性，通过在钛烧结毡表面镀Pt的方法改善接触性能和 防腐蚀性能，提高电池性能。中国专利公开号为CN 101140990A提出采用Pt，Au，Ru等金属 网担载碳粉和疏水有机化合物作为气体扩散层，具有结实牢固、可制成各种形状等特点。然 而，Pt等贵金属成本较高，导致燃料电池电堆的制造成本上升，无法满足燃料电池大规模应 用的低成本要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于燃料电池的金属气体扩散层 及其制备方法，解决传统碳纤维型气体扩散层由于脆性较大和压缩模量较小而导致的断裂 失效和气体难以进入等问题。以价格低廉的不锈钢纤维作为原材料，采用高温真空烧结的 方法制备烧结毡，辅以磁控溅射离子镀技术制备一层碳膜，以增加其接触性能和防腐蚀性 能，实现燃料电池用气体扩散层的高性能低成本制造。本发明是通过以下技术方案实现本发明涉及一种用于燃料电池的金属气体扩散层，其扩散层厚度为0. 15 0. 25mm,密度为1. 2 2. 5g/cm3 ；金属纤维直径为5 20 μ m，孔径范围为5 50 μ m，孔隙 率为70% 85%，透气度为40 300L/min · dm2 ；厚度方向电阻率约为50 80 μ Ω · cm, 面方向热导率约为15 21W/m · K ；屈服强度为200MPa以上，抗拉强度为400MPa以上；在 模拟质子交换膜燃料电池工作环境下腐蚀电流低于lX10_6A/cm2，在1. 5MPa的接触压力作 用下与同种不锈钢双极板间接触电阻低于20m Ω/cm2。本发明涉及上述金属气体扩散层的制备方法，通过真空高温烧结的方法制备不锈 钢短纤维烧结毡，然后采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术在经过预处理的不锈钢短纤 维烧结毡上依次制备得到铬层和石墨层，再采用聚四氟乙烯对镀膜不锈钢短纤维烧结毡整 体进行憎水处理，最后采用超声震荡方法进行表面炭粉涂覆，得到用于燃料电池的金属气 体扩散层。所述的真空高温烧结是指将直径为1 2mm的不锈钢丝合成束，采用集束拉拔的 方法得到直径为5 20 μ m的不锈钢长纤维束，对纤维束切断成平均长度为3 6mm的短 纤维束，再经膨松处理后置于1000°C 1200°C的真空环境下烧结。所述的膨松处理是指将短纤维束置于水介质中，采用一定的搅拌强度和搅拌速 度将纤维束开松成单纤维状态制备成均勻的悬浮溶液。在重力的作用下，短纤维自然沉降 呈现杂乱排布，将水分蒸发即得到蓬松的各向同性的短纤维层。所述的不锈钢短纤维烧结毡的厚度为0. 15 0. 25mm，纤维烧结毡中的纤维之间 相互交叉形成空隙。所述的预处理是指采用超声波技术对不锈钢短纤维烧结毡进行碱洗、酸洗、去离 子水清洗过程，然后干燥处理。所述的闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术是指采用99. 99%纯度的氩气和 99. 99%纯度的氦气作为溅射气体，将炉腔抽成真空压强低于3. 0X10_3帕，然后用氩原子 轰击不锈钢短纤维烧结毡除去纤维钝化层再，以99. 99%纯度的铬为靶材在不锈钢短纤维 烧结毡的表面镀一层铬层，再以99. 99%纯度的石墨为靶材在纤维毡表面镀一层石墨层。所述的铬层的厚度为0. 2 μ m，所述石墨层的厚度为1 μ m。
所述的镀膜不锈钢短纤维烧结毡整体的纤维孔隙率为70% 85%，孔径为5 50 μ m之间，透气度为40L/min · dm2以上，厚度方向电阻率约为50 80 μ Ω · cm，面方向 热导率约为15 21W/m · K，屈服强度为200MPa以上，抗拉强度为400MPa以上。所述的憎水处理是指采用聚四氟乙烯乳料浸泡镀膜不锈钢短纤维烧结毡整体后 经焙烤。所述的聚四氟乙烯乳液中聚四氟乙烯的平均粒径为0. 1 0. 3 μ m。所述的采用超声震荡方法进行表面炭粉涂覆是指用水或水与乙醇的混合物作为 溶剂，炭粉与聚四氟乙烯作为溶质混合后经超声分散后均勻涂覆到经过憎水处理的镀膜不 锈钢短纤维烧结毡的表面。所述的炭粉采用乙炔炭黑。本发明采用高温真空烧结技术制备金属纤维烧结毡，采用闭合场非平衡磁控溅射 离子镀技术制备一层防腐蚀膜，采用PTFE进行疏水处理并且采用碳粉进行平整处理制备 质子交换膜燃料电池用金属气体扩散层。该气体扩散层有较好的机械性能，解决传统碳纤 维型气体扩散层由于脆性较大和压缩模量较小而导致的断裂失效、气体难以进入等问题。 同时，该气体扩散层纤维长度、孔径和孔隙率容易控制，有利于改善燃料电池工作工作环境 下传质特性。此外，金属GDL克服传统GDL不能弯曲的缺点，可以加工成任意形状，满足波 浪形结构等新型电堆结构设计要求，为燃料电池电堆结构创新提供可能。最后，镀膜的金属 气体扩散层防腐蚀性能大幅提高，满足燃料电池弱酸性工作环境挑战，与镀相同碳膜的金 属双极板间接触电阻很少，减少了燃料电池电动势的欧姆损失，从而提升了燃料电池性能。
图1为本发明制备的镀膜金属气体扩散层与镀膜金属双极板间的接触电阻随接 触压力变化的曲线图。图2为本发明制备的镀膜金属气体扩散层在模拟燃料电池阴极环境下的腐蚀电 流极化曲线图。图3为本发明制备的镀膜金属气体扩散层装配的单电池性能曲线。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明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，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1采用集束拉拔的方法将直径为Imm的不锈钢丝束拉伸得到平均直径为5 μ m不 锈钢细纤维束，将细纤维束切段成平均长度为3mm的短纤维，将短纤维经过膨松处理制备 得到短纤维方位随机分布的膨松毡。将膨松毡放入真空炉中进行高温烧结，烧结温度为 1000°C，得到厚度为0. 15mm的不锈钢纤维烧结毡。裁取不锈钢纤维烧结毡样品，进行预处理采用0. 2M稀氢氧化钠溶液清洗多次， 除去表面有机物，然后用0. 6M稀硫酸溶液洗涤多次，去除表面金属离子，再用去离子水洗 涤，烘干。以上清洗过程均采用超声波清洗技术。将预处理好的样品放入闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备中，将设备抽真空，采用高纯度99. 99 %的石墨和高纯度99. 99 %的铬作 为靶材，高纯度99. 99%氩气和高纯度99. 99%氦气作为溅射气体。首先，采用氩原子轰击 纤维毡，除去表面钝化层，其次，以铬为靶材在纤维毡表面镀一层超薄铬层，最后，以石墨为 靶材在纤维毡表面镀一层石墨镀层。经检测，超薄铬层为0.2 μ m，石墨镀层为1 μ m。将镀膜的不锈钢纤维毡先称重，然后多次浸入浓度为5%的聚四氟乙烯乳料中进 行浸泡，对其作憎水处理。将浸泡好PTFE的双极板取出荫干后置于温度为330°C 340°C 的烘箱内焙烧，使浸渍在纤维网内的聚四氟乙烯乳液所含的表面活性剂被除掉，同时使得 聚四氟乙烯热熔烧结并均勻分散在纤维上，从而达到良好的憎水效果，构建有利于气体传 输的气体通道。焙烧后，将纤维毡完全冷却并称重，可确定金属气体扩散层中聚四氟乙烯的 含量，从而确定憎水处理的程度。烘干后的气体扩散层表面凹凸不平，会影响催化剂层的品 质，因此，有必要对不锈钢纤维毡表面进行平整处理，其工艺为用水和乙醇的混合液作为 溶剂，将乙炔炭黑与PTFE配成质量比为1 1的溶液，用超声波震荡，使其混合均勻，再使 其沉降。清除上部清夜后，将沉降物涂抹到已进行过憎水处理的不锈钢纤维烧结毡气体扩 散层上，荫干后即得到平整表面。采用本实例制备的不锈钢纤维烧结毡气体扩散层密度为2. 19g/cm3，孔径范围为 5 20 μ m，孔隙率为70%。根据GB/T 1038-2000标准测试得该金属气体扩散层透气度为 47L/min · dm2，厚度方向电阻率约为50 μ Ω · cm，面方向热导率约为21W/m · K，屈服强度为 250MPa，抗拉强度为500MPa。如图1所示，采用电化学腐蚀测量仪测的镀膜金属气体扩散层 在模拟质子交换膜燃料电池工作环境下腐蚀电流低于1 X IO-Vcm20如图2所示，采用接触 电阻试验台测试得到镀膜不锈钢纤维毡与镀膜不锈钢双极板间接触电阻在1. 5MPa的接触 压力为6mQ/cm2。采用该金属气体扩散层装配的单电池功率密度可达到395mW/cm2，如图3 所示。测试条件阳极和阴极催化剂含量0. 3mg Pt/cnT2，质子交换膜为Nafi0nll7，电堆温 度为80°C，阴极、阳极反应气温度为80°C，湿度为100%，压强为0. 3MPa。实施例2采用集束拉拔的方法将直径为Imm的不锈钢丝束拉伸得到平均直径为10 μ m不锈 钢细纤维束，将细纤维束切段成平均长度为4mm的短纤维，经膨松处理得到短纤维方位随 机分布的膨松毡。将膨松毡放入真空炉中进行高温烧结，烧结温度为1050°C，得到厚度为 0. 17mm的不锈钢纤维烧结毡。裁取不锈钢纤维烧结毡样品，进行预处理采用0. 4M稀氢氧化钠溶液清洗多次， 除去表面有机物，然后用1. OM稀硫酸溶液洗涤多次，去除表面金属离子，用去离子水洗涤， 在温度为70°C浓度为5wt%的草酸水溶液中煮30分钟，再用去离子水洗涤，烘干。以上清 洗过程均采用超声波清洗技术。将预处理好的样品放入闭合场非平衡磁控溅射离子镀设 备中，将设备抽真空，采用高纯度99. 99%的石墨和高纯度99. 99%的铬作为靶材，高纯度 99. 99%氩气和高纯度99. 99%氦气作为溅射气体。首先，采用氩原子轰击纤维毡，除去表面 钝化层，其次，以铬为靶材在纤维毡表面镀一层厚度为0. 2μπι的铬层，最后，以石墨为靶材 在纤维毡表面镀一层厚度为Iym石墨镀层。将镀膜的不锈钢纤维毡先称重，然后多次浸入浓度为5%的聚四氟乙烯乳料中进 行浸泡，对其作憎水处理。将浸泡好PTFE的双极板取出荫干后置于温度为330°C 340°C的 烘箱内焙烧，使浸渍在纤维网内的聚四氟乙烯乳液所含的表面活性剂被除掉，同时使得聚四氟乙烯热熔烧结并均勻分散在纤维上，从而达到良好的憎水效果，构建有利于气体传输 的气体通道。烘干后，对不锈钢纤维毡表面进行平整处理，其工艺为用水和乙醇的混合液 作为溶剂，将乙炔炭黑与PTFE配成质量比为1 1的溶液，用超声波震荡，使其混合均勻， 再使其沉降。清除上部清夜后，将沉降物涂抹到已进行过憎水处理的不锈钢纤维烧结毡气 体扩散层上，荫干后即得到平整表面。采用本实例制备的不锈钢纤维烧结毡气体扩散层密度为1. 83g/cm3，孔径范围为 10 30 μ m,孔隙率为75 %。根据GB/T 1038-2000标准测试得该金属气体扩散层透气度 为105L/min · dm2，厚度方向电阻率约为61μ Ω · cm，面方向热导率约为19W/m · K，屈服强 度为M2MPa，抗拉强度为480MPa。如图1，镀膜金属气体扩散层在模拟质子交换膜燃料电池 工作环境下腐蚀电流低于1X10_8A/Cm2。如图2，镀膜不锈钢纤维毡与镀膜不锈钢双极板间 接触电阻在1. 5MPa的接触压力为6mQ/cm2。采用该金属气体扩散层装配的单电池功率密 度可达到418mW/cm2，如图3所示。测试条件阳极和阴极催化剂含量0. 3mg Pt/cm_2，质子 交换膜为Nafi0nll7，电堆温度为80°C，阴极、阳极反应气温度为80°C，湿度为100%，压强 为 0. 3MPa0实施例3采用集束拉拔的方法将直径为2mm的不锈钢丝束拉伸得到平均直径为12. 5 μ m 不锈钢细纤维束，将细纤维束切段成平均长度为6mm的短纤维，将短纤维经过膨松处理制 备得到短纤维方位随机分布的膨松毡。将膨松毡放入真空炉中进行高温烧结，烧结温度为 1100°C，得到厚度为0. 19mm的不锈钢纤维烧结毡。裁取不锈钢纤维烧结毡样品，进行预处理采用1. OM稀氢氧化钠溶液清洗多次， 除去表面有机物，然后用1. OM稀硫酸溶液洗涤多次，，去除表面金属离子，用去离子水洗 涤，在温度为70°C浓度为10wt%的草酸水溶液中煮30分钟，再用去离子水洗涤，烘干。以 上清洗过程均采用超声波清洗技术。将预处理好的样品放入闭合场非平衡磁控溅射离子镀 设备中，将设备抽真空，采用高纯度99. 99%的石墨和高纯度99. 99%的铬作为靶材，高纯 度99. 99%氩气和高纯度99. 99%氦气作为溅射气体。首先，采用氩原子轰击纤维毡，除去 表面钝化层，其次，以铬为靶材在纤维毡表面镀一层超薄铬层，最后，以石墨为靶材在纤维 毡表面镀一层石墨镀层。经检测，超薄铬层为0.2 μ m，石墨镀层为1 μ m。将镀膜的不锈钢纤维毡先称重，然后多次浸入浓度为5%的聚四氟乙烯乳料中进 行浸泡，对其作憎水处理。将浸泡好PTFE的双极板取出荫干后置于温度为330°C 340°C 的烘箱内焙烧，使浸渍在纤维网内的聚四氟乙烯乳液所含的表面活性剂被除掉，同时使得 聚四氟乙烯热熔烧结并均勻分散在纤维上，从而达到良好的憎水效果，构建有利于气体传 输的气体通道。焙烧后，将纤维毡完全冷却并称重，可确定金属气体扩散层中聚四氟乙烯的 含量，从而确定憎水处理的程度。烘干后的气体扩散层表面凹凸不平，会影响催化剂层的品 质，因此，有必要对不锈钢纤维毡表面进行平整处理，其工艺为用水和乙醇的混合液作为 溶剂，将乙炔炭黑与PTFE配成质量比为1 1的溶液，用超声波震荡，使其混合均勻，再使 其沉降。清除上部清夜后，将沉降物涂抹到已进行过憎水处理的不锈钢纤维烧结毡气体扩 散层上，荫干后即得到平整表面。采用本实例制备的不锈钢纤维烧结毡气体扩散层密度为1.54g/cm3，孔隙率为 79%。根据GB/T 1038-2000标准测试得该金属气体扩散层透气度为205L/min · dm2，厚度方向电阻率约为72μ Ω ·_，面方向热导率约为17W/m*K，采用万能材料试验机测得该不锈 钢纤维烧结毡屈服强度为229MPa，抗拉强度为450MPa。如图1所示，采用电化学腐蚀测量仪 测的镀膜金属气体扩散层在模拟质子交换膜燃料电池工作环境下腐蚀电流低于IXlO-8A/ cm2。如图2所示，采用接触电阻试验台测试得到镀膜不锈钢纤维毡与镀膜不锈钢双极板 间接触电阻在1. 5MPa的接触压力为6mQ/cm2。采用该金属气体扩散层与质子交换膜为 Nafionl 17热压制备MEA，装配的单电池功率密度可达到450mW/cm2，如图3所示。测试条件 阳极和阴极催化剂含量0. 3mg Pt/cm_2，电堆温度为80°C，阴极、阳极反应气温度为80°C， 湿度为100%，压强为0. 3Mpa。实施例4采用集束拉拔的方法将直径为2mm的不锈钢丝束拉伸得到平均直径为20 μ m不锈 钢细纤维束，将细纤维束切段成平均长度为5mm的短纤维，经膨松处理得到短纤维方位随 机分布的膨松毡。将膨松毡放入真空炉中进行高温烧结，烧结温度为1200°C，得到厚度为 0. 24mm的不锈钢纤维烧结毡。裁取不锈钢纤维烧结毡样品，进行预处理采用0. 8M稀氢氧化钠溶液清洗多次， 除去表面有机物，然后用0. 8M稀硫酸溶液洗涤多次，去除表面金属离子，再用去离子水洗 涤，烘干。以上清洗过程均采用超声波清洗技术。将预处理好的样品放入闭合场非平衡磁 控溅射离子镀设备中，将设备抽真空，采用高纯度99. 99 %的石墨和高纯度99. 99 %的铬作 为靶材，高纯度99. 99%氩气和高纯度99. 99%氦气作为溅射气体。首先，采用氩原子轰击 纤维毡，除去表面钝化层，其次，以铬为靶材在纤维毡表面镀一层厚度为0. 2μπι的铬层，最 后，以石墨为靶材在纤维毡表面镀一层厚度为1 μ m石墨镀层。将镀膜的不锈钢纤维毡先称重，然后多次浸入浓度为5%的聚四氟乙烯乳料中进 行浸泡，对其作憎水处理。将浸泡好PTFE的双极板取出荫干后置于温度为330°C 340°C的 烘箱内焙烧，使浸渍在纤维网内的聚四氟乙烯乳液所含的表面活性剂被除掉，同时使得聚 四氟乙烯热熔烧结并均勻分散在纤维上，从而达到良好的憎水效果，构建有利于气体传输 的气体通道。烘干后，对不锈钢纤维毡表面进行平整处理，其工艺为用水和乙醇的混合液 作为溶剂，将乙炔炭黑与PTFE配成质量比为2 1的溶液，用超声波震荡，使其混合均勻， 再使其沉降。清除上部清夜后，将沉降物涂抹到已进行过憎水处理的不锈钢纤维烧结毡气 体扩散层上，荫干后即得到平整表面。采用本实例制备的不锈钢纤维烧结毡气体扩散层密度为1. 47g/cm3，孔径大小为 30 50 μ m，孔隙率为80%。该金属气体扩散层透气度为^OL/min · dm2，厚度方向电阻率 约为80μ Ω ·ο ，面方向热导率约为15W/m*K，屈服强度为200MPa，抗拉强度为400MPa。如 图1所示，采用电化学腐蚀测量仪测的镀膜金属气体扩散层在模拟质子交换膜燃料电池工 作环境下腐蚀电流低于1 X IO-Vcm20如图2所示，采用接触电阻试验台测试得到镀膜不锈 钢纤维毡与镀膜不锈钢双极板间接触电阻在1.5MI^的接触压力为6mQ/cm2。采用该金属气 体扩散层与质子交换膜为Nafionl 17热压制备MEA，装配的单电池功率密度可达到402mW/ cm2，如图3所示。测试条件阳极和阴极催化剂含量0. 3mg Pt/cm_2，电堆温度为80°C，阴 极、阳极反应气温度为80°C，湿度为100%，压强为0. 3MPa。与实施例1、2、4相比可得，实例3中所用的工艺参数可获得最佳燃料电池性能。因 此，纤维直径为12. 5 μ m，气体扩散层厚度为0. 19mm，孔径为15 40 μ m，孔隙率为79%。
权利要求
1.一种用于燃料电池的金属气体扩散层的制备方法，其特征在于，通过真空高温烧结 的方法制备不锈钢短纤维烧结毡，然后采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术在经过预处 理的不锈钢短纤维烧结毡上依次制备得到铬层和石墨层，再采用聚四氟乙烯对镀膜不锈钢 短纤维烧结毡整体进行憎水处理，最后采用超声震荡方法进行表面炭粉涂覆，得到用于燃 料电池的金属气体扩散层。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的金属气体扩散层的制备方法，其特征是，所 述的真空高温烧结是指将直径为1 2mm的不锈钢丝合成束，采用集束拉拔的方法得到直 径为5 20 μ m的不锈钢长纤维束，对纤维束切断成平均长度为3 6mm的短纤维束，再经 膨松处理后置于1000°C 1200°C的真空环境下烧结，得到厚度为0. 15 0. 25mm，纤维烧结 毡中的纤维之间相互交叉形成空隙的不锈钢短纤维烧结毡。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池的金属气体扩散层的制备方法，其特征是，所 述的膨松处理是指将短纤维束置于水介质中，将纤维束开松成单纤维状态制备成均勻的 悬浮溶液，并在重力的作用下使得短纤维自然沉降呈现杂乱排布，将水分蒸发即得到蓬松 的各向同性的短纤维层。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的金属气体扩散层的制备方法，其特征是，所 述的闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术是指采用99. 99%纯度的氩气和99. 99%纯度的 氦气作为溅射气体，将炉腔抽成真空压强低于3. OX 10_3帕，然后用氩原子轰击不锈钢短纤 维烧结毡除去纤维钝化层，再以99. 99%纯度的铬为靶材在不锈钢短纤维烧结毡的表面镀 一层铬层，再以99. 99%纯度的石墨为靶材在纤维毡表面镀一层石墨层。
5.根据权利要求1或4所述的用于燃料电池的金属气体扩散层的制备方法，其特征是， 所述的铬层的厚度为0. 2 μ m，所述石墨层的厚度为1 μ m。
6.根据权利要求1所述的用于燃料电池的金属气体扩散层的制备方法，其特征是，所 述的镀膜不锈钢短纤维烧结毡整体的纤维孔隙率为70% 85%，孔径为5 50 μ m之间， 透气度为40L/min · dm2以上，厚度方向电阻率约为50 80 μ Ω · cm，面方向热导率约为 15 21W/m · K，屈服强度为200MPa以上，抗拉强度为400MPa以上。
7.根据权利要求1所述的用于燃料电池的金属气体扩散层的制备方法，其特征是，所 述的憎水处理是指采用聚四氟乙烯乳料浸泡镀膜不锈钢短纤维烧结毡整体后经焙烤。
8.根据权利要求1所述的用于燃料电池的金属气体扩散层的制备方法，其特征是，所 述的聚四氟乙烯乳液中聚四氟乙烯的平均粒径为0. 1 0. 3 μ m。
9.根据权利要求1所述的用于燃料电池的金属气体扩散层的制备方法，其特征是，所 述的采用超声震荡方法进行表面炭粉涂覆是指用水或水与乙醇的混合物作为溶剂，炭粉 与聚四氟乙烯作为溶质混合后经超声分散后均勻涂覆到经过憎水处理的镀膜不锈钢短纤 维烧结毡的表面。
10.根据权利要求1所述的用于燃料电池的金属气体扩散层的制备方法，其特征是，所 述的炭粉采用乙炔炭黑。
全文摘要
一种用于燃料电池的金属气体扩散层及其制备方法，通过真空高温烧结的方法制备不锈钢短纤维烧结毡，然后采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术在经过预处理的不锈钢短纤维烧结毡上依次制备得到铬层和石墨层，再采用聚四氟乙烯对镀膜不锈钢短纤维烧结毡整体进行憎水处理，最后采用超声震荡方法进行表面炭粉涂覆，得到用于燃料电池的金属气体扩散层。本发明以价格低廉的不锈钢纤维作为原材料，采用高温真空烧结的方法制备烧结毡，辅以磁控溅射离子镀技术制备一层碳膜，以增加其接触性能和防腐蚀性能，实现燃料电池用气体扩散层的高性能低成本制造。
文档编号H01M4/88GK102082277SQ20101060512
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者倪军, 彭林法, 易培云, 来新民, 邱殿凯 申请人:上海交通大学