以膜电极做集电极的燃料电池用气体扩散层及其制备方法与流程

本发明涉及新能源燃料电池领域，具体涉及一种以膜电极做集电极的燃料电池用气体扩散层及其制备方法。

背景技术：

随着环保和节能减排要求的不断提高，机动车驱动力由传统能源向新能源转变是未来很长一段时间的发展方向，国家制造2025中十大发展方向之一就包括新能源发展战略。新能源包括清洁替代燃料、二次储能电池和燃料电池汽车。二次储能电池由于其理论能量密度的限制、安全问题、充电效率和寿命难以大幅度提高的问题以及回收利用的难度都会影响其在车用动力系统方面的大规模应用。燃料电池作为燃料补充型发电系统，不受体积和质量能量密度的限制，能量利用率能够达到50％以上能源清洁度整体高于二次储能电池，氢气来源广泛，加氢速度类似于汽油加注，一次加注续驶里程400-700公里，运行寿命长，整体性能非常适宜作为车载动力源使用。目前商业化推广应用最大的障碍是成本问题。含铂催化剂的价格只能随着铂矿藏的逐渐减少而日益高涨，基于碳纤维抄纸结构的气体扩散层由于我国在碳纤维材料方面的基础薄弱，只能依靠进口。金属双极板的基材薄板容易产生翘曲导致电子通过效率降低，增大内阻。目前燃料电池各部件的选材是基于传统的燃料电池结构---电子运输依靠内部的部件通道，即所有部件需要是电子的良导体。因此各部件材质选择要么是电子良导体的金属，要么是接近半导体的碳基材料，材料可选范围小，价格居高不下。

技术实现要素：

本发明为了解决传统燃料电池结构的上述缺点带来的高成本问题，采用低成本绝缘材料替代进口导电碳纸材料制备，提供一种用于膜电极做集电极的燃料电池的气体扩散层。该气体扩散层只需要承担反应气体的均匀传递，同时禁止电子的垂直于气体扩散层的传递。采用多层多孔材料差异性孔径结构复合制备气体扩散层，提高了气体传递效率，降低了气体传输阻力。特别是非导电性材料的应用，大大降低了部件成本，具有显著的实用价值。

本发明的技术方案为：

一种以膜电极做集电极的燃料电池用气体扩散层，包括一号复合无纺物层、二号复合无纺物层、三号复合无纺物层、四号复合无纺物层以及活性炭微孔层，四层无纺物层分别采用不同的等效孔径，四层无纺物层按等效孔径从大到小的顺序依次层压粘结到一起，活性炭微孔层均匀分散在有效孔径最小的一层无纺物层的外表面上。

所述的一种以膜电极做集电极的燃料电池用气体扩散层，一号复合无纺物层为等效孔径为60-80um的由单一或多种材料复合制备的无纺纸；所述二号复合无纺物层为等效孔径为50-70um的由单一或多种材料复合制备的无纺纸；所述三号无纺物层为等效孔径为40-60um的由单一或多种材料复合制备的无纺纸；所述四号无纺物层为等效孔径为20-40um的由单一或多种材料复合制备的无纺纸。

本发明同时提供一种以膜电极做集电极的燃料电池用气体扩散层的制备方法，将四层无纺物层按等效孔径从大到小的顺序依次层压粘结到一起，并在有效孔径最小的一层无纺物层的外表面上均匀的分散上活性炭微孔层，经热处理后分别放置在作为集电极的膜电极组件两侧。

本发明的有益效果：使用孔径递减的绝缘无纺复合物层作为气体扩散层，有效降低了材料成本，同时降低了气体传输阻力，有效的提高燃料电池功率。

附图说明

图1为以膜电极做集电极的燃料电池用气体扩散层结构示意图。

图中：1-一号复合无纺物层，2-二号复合无纺物层，3-三号复合无纺物层，4-四号复合无纺物层，5-活性炭微孔层

具体实施方式

以下结合附图及实施例详细介绍本发明的技术方案：

如图1所示，以膜电极做集电极的燃料电池用气体扩散层，包括不同等效孔径的四层复合无纺物层1、2、3、4及活性炭微孔层5。将四层无纺物层按等效孔径从大到小的顺序依次层压粘结到一起，并在有效孔径最小的一层无纺物层的外表面上均匀的分散上活性炭微孔层(superp)5，经热处理后分别放置在作为集电极的膜电极组件两侧，为减轻燃料电池堆的总重，以模压酚醛树脂粉制成0.5mm厚的气体导入流道，重复单元采用密封圈封装成设计为1mpa的短堆，测试结果为峰值功率1.2mpa。成本较传统同功率燃料电池降低60％。

实施例1

以膜电极做集电极的燃料电池用气体扩散层，选择等效孔径为80um的涤纶复合无纺纸作为一号复合无纺物层1，选择等效孔径为60um的丙纶绝缘复合无纺纸作为二号复合无纺物层2，选择等效孔径为40um的涤纶复合无纺布作为三号楼复合无纺物层3，选择等效孔径为20um的锦纶绝缘复合无纺纸作为四号复合无纺物层4，将四层无纺物层按等效孔径从大到小的顺序依次层压粘结到一起，并在等效孔径最小的一层无纺物层的另一面均匀的分散上活性炭微孔层5(superp)，经热处理后分别放置在作为集电极的膜电极组件两侧，为减轻燃料电池堆的总重，以模压酚醛树脂粉制成0.5mm厚的气体导入流道，重复单元采用密封圈封装成设计为1mpa的短堆，测试结果为峰值功率1.2mpa。成本较传统同功率燃料电池降低60％。

实施例2

选择等效孔径为70um的维纶复合无纺纸作为一号复合无纺物层1，选择等效孔径为65um的单丝复合无纺纸作为二号复合无纺物层2，选择等效孔径为50um的维纶复合无纺布作为三号复合无纺物层3，选择等效孔径为35um的涤纶复合无纺布作为四号复合无纺物层4，将四层无纺物层压粘结到一起，在空隙较小的一侧均匀的分散上活性炭微孔层5(superp)，经热处理后分别放置在作为集电极的膜电极组件两侧，为减轻燃料电池堆的总重，以模压增强聚丙烯烃填充复合树脂制成0.8mm厚的气体导入流道，重复单元采用密封圈封装成设计为1mpa的短堆，测试结果为峰值功率1.1mpa。成本较传统同功率燃料电池降低50％。

实施例3

选择等效孔径为70um的涤纶复合无纺布作为一号复合无纺物层1，选择等效孔径为60um的锦纶复合无纺布作为二号复合无纺物层2，选择等效孔径为50um的丙纶复合无纺布作为三号复合无纺物层3，选择等效孔径为40um的维纶复合无纺布作为四号复合无纺物层4，将四层无纺布层压粘结到一起，在空隙较小的一侧均匀的分散上活性炭微孔层5(superp)，经热处理后分别放置在作为集电极的膜电极组件两侧，为减轻燃料电池堆的总重，以模压增强聚酰胺酯制成0.8mm厚的气体导入流道，重复单元采用密封圈封装成设计为1mpa的短堆，测试结果为峰值功率1.1mpa。成本较传统同功率燃料电池降低50％。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种以膜电极做集电极的燃料电池用气体扩散层，包括一号复合无纺物层、二号复合无纺物层、三号复合无纺物层、四号复合无纺物层以及活性炭微孔层，四层无纺物层分别采用不同的等效孔径，四层无纺物层按等效孔径从大到小的顺序依次层压粘结到一起，活性炭微孔层均匀分散在有效孔径最小的一层无纺物层的外表面上。采用多层多孔材料差异性孔径结构复合制备气体扩散层，提高了气体传递效率，降低了气体传输阻力。本发明同时提供一种以膜电极做集电极的燃料电池用气体扩散层的制备方法。

技术研发人员：曹婷婷;米新艳;崔新然;张克金;朱雅男;王茁;李军泽;苏中辉;杨帅
受保护的技术使用者：一汽解放汽车有限公司
技术研发日：2018.12.03
技术公布日：2019.05.24