一种延长金属双极板寿命的阳极气体扩散层及其制备方法与流程

本发明属于燃料电池技术领域，具体的说是一种延长金属双极板寿命的阳极气体扩散层及其制备方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(pemfc)是一种燃料电池，其主要构成组件为气体扩散层、催化层、质子交换膜、双极板、端板等。双极板又称集流板，目前广泛使用的双极板有石墨板、金属板和复合材料板三种类型，金属双极板因其体积比功率密度、导电导热性能、量产成本等优势，占领了越来越多的市场份额。金属双极板因本身耐腐蚀性能比较差，所以金属双极板表面大多进行改性，表面改性技术延长了金属双极板的寿命。表面改性涂层因存在微观缺陷、电池运行过程中涂层剥离等问题，会使得金属双极板金属基体露出产生腐蚀。腐蚀不仅破坏双极板本身，还降低电池性能。腐蚀导致电池性能降低的原因是腐蚀产生的金属离子被质子交换膜吸收，膜的质子传导能力降低；同时腐蚀产生的金属离子进入催化层，改变催化剂活性，降低电池的耐久性。因此，需要开发一种新方法，在金属双极板涂层失效的情况下，二次保护金属双极板金属基体，延长金属双极板寿命，进而延长燃料电池的使用寿命。

技术实现要素：

本发明提供了一种延长金属双极板寿命的阳极气体扩散层及其制备方法，在气体扩散层与阳极金属双极板接触一侧涂覆金属缓蚀剂，在阳极金属双极板涂层失效露出金属基体时，气体扩散层上的金属缓蚀剂与金属基体进行化学吸附，保护阳极金属双极板，延长阳极金属双极板寿命，进而延长燃料电池堆的使用寿命，解决了现有燃料电池存在的上述不足。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种延长金属双极板寿命的阳极气体扩散层，该阳极气体扩散层包括气体扩散层和基于气体扩散层的金属缓蚀剂层。

所述气体扩散层由支撑层和附着在支撑层一侧的微孔层组成；所述支撑层为多孔的碳纸和碳布；所述微孔层为导电碳材料、憎水剂、水和/或分散剂混合后通过涂覆方式至支撑层表面制得。

所述导电碳材料为导电碳黑、活性碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、碳微球或石墨粉中的一种或两种以上的混合物；所述导电碳材料的担载量为每平方厘米支撑层中含有导电碳材料0.1mg～6mg。

所述憎水剂为聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯、四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物、四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚的共聚物中的一种或两种以上的混合物；所述憎水剂的担载量为憎水剂和导电碳材料总质量的5％～60％。

所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、直链烷基苯磺酸盐、十二烷基琥珀酸中的一种或两种以上的混合物。

所述涂覆方式为刮涂、喷涂、刷涂、印涂、丝网印刷或抽滤中一种或两种以上的方式。

所述金属缓蚀剂层由附着在气体扩散层的支撑层另一侧的金属缓蚀剂组成；所述金属缓蚀剂为c4～c12的一元脂肪酸盐、c4～c12的二元脂肪酸盐、c6～c21的三元脂肪酸盐、芳香酸盐、氨基酸盐、硅氧烷酮中的一种或两种以上的混合物；金属缓蚀剂的担载量为每平方厘米支撑层中含有金属缓蚀剂0.1mg～3mg。

一种延长金属双极板寿命的阳极气体扩散层的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将分散剂加入去离子水或蒸馏水中，通过一种或两种的分散方式，形成均匀的分散剂浓度为0.1wt％～2wt％的分散剂水溶液；

步骤二、将将导电碳材料加入步骤一制备的分散剂水溶液中，通过一种或两种的分散方式，形成均匀的导电碳材料悬浮液；

步骤三、将憎水剂乳液加入步骤二制备的导电碳材料悬浮液中，通过一种或两种的分散方式，形成含憎水剂浓度为1wt％～60wt％的微孔层浆料；

步骤四、将步骤三制备的微孔层浆料通过一种或两种以上的涂覆方式至经过憎水处理的支撑层的一侧，再经过热处理方式得到气体扩散层；

步骤五、将金属缓蚀剂加入去离子水或蒸馏水中，通过一种或两种的分散方式，并同时进行室温～100℃的加热，形成均匀的金属缓蚀剂水溶液；

步骤六、将步骤五制备的金属缓蚀剂水溶液通过一种或两种以上的涂覆方式至经过憎水处理的支撑层的另一侧，再经过热处理方式得到基于气体扩散层的金属缓蚀剂层。

所述分散方式为机械搅拌1分钟～10小时、超声分散1分钟～2小时中一种或两种方式。

所述热处理方式为热处理温度为50℃～400℃，处理时间为30分钟～5小时，处理气氛为空气、氮气或氩气。

本发明的有益效果为：

本发明在气体扩散层与阳极金属双极板接触一侧涂覆金属缓蚀剂，在阳极金属双极板涂层失效露出金属基体时，气体扩散层上的金属缓蚀剂与金属基体进行化学吸附，保护阳极金属双极板，延长阳极金属双极板寿命，进而延长燃料电池堆的使用寿命。

附图说明

图1为一个含有本发明实施例的延长金属双极板寿命的阳极气体扩散层的质子交换膜燃料电池单电池的结构示意图；

图2为实施例一与对比例一组装两个单电池进行耐久性测试的测试结果对比图。

图中：1、阳极气体扩散层；2、微孔层；3、支撑层；4、金属缓蚀剂层。

具体实施方式

参阅图1，一种延长金属双极板寿命的阳极气体扩散层1，包括气体扩散层和基于气体扩散层的金属缓蚀剂层4。

所述气体扩散层由支撑层3和附着在支撑层一侧的微孔层2组成；所述支撑层3为多孔的碳纸和碳布；所述微孔层2为导电碳材料、憎水剂、水和/或分散剂混合后通过涂覆方式至支撑层表面制得。

所述导电碳材料为导电碳黑、活性碳、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纤维、碳微球或石墨粉中的一种或两种以上的混合物；所述导电碳材料的担载量为每平方厘米支撑层中含有导电碳材料0.1mg～6mg。

所述憎水剂为聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏氟乙烯、四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物、四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚的共聚物中的一种或两种以上的混合物；所述憎水剂的担载量为憎水剂和导电碳材料总质量的5％～60％。

所述分散剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚乙烯吡咯烷酮、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠、直链烷基苯磺酸盐、十二烷基琥珀酸中的一种或两种以上的混合物。

所述涂覆方式为刮涂、喷涂、刷涂、印涂、丝网印刷或抽滤中一种或两种以上的方式。

所述金属缓蚀剂层由附着在气体扩散层的支撑层另一侧的金属缓蚀剂组成；所述金属缓蚀剂为c4～c12的一元脂肪酸盐、c4～c12的二元脂肪酸盐、c6～c21的三元脂肪酸盐、芳香酸盐、氨基酸盐、硅氧烷酮中的一种或两种以上的混合物；金属缓蚀剂的担载量为每平方厘米支撑层中含有金属缓蚀剂0.1mg～3mg。

一种延长金属双极板寿命的阳极气体扩散层的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将分散剂加入去离子水或蒸馏水中，通过一种或两种的分散方式，形成均匀的分散剂浓度为0.1wt％～2wt％的分散剂水溶液；

步骤二、将将导电碳材料加入步骤一制备的分散剂水溶液中，通过一种或两种的分散方式，形成均匀的导电碳材料悬浮液；

步骤三、将憎水剂乳液加入步骤二制备的导电碳材料悬浮液中，通过一种或两种的分散方式，形成含憎水剂浓度为1wt％～60wt％的微孔层浆料；

步骤四、将步骤三制备的微孔层浆料通过一种或两种以上的涂覆方式至经过憎水处理的支撑层的一侧，再经过热处理方式得到气体扩散层；

步骤五、将金属缓蚀剂加入去离子水或蒸馏水中，通过一种或两种的分散方式，并同时进行室温～100℃的加热，形成均匀的金属缓蚀剂水溶液；

步骤六、将步骤五制备的金属缓蚀剂水溶液通过一种或两种以上的涂覆方式至经过憎水处理的支撑层的另一侧，再经过热处理方式得到基于气体扩散层的金属缓蚀剂层。

所述分散方式为机械搅拌1分钟～10小时、超声分散1分钟～2小时中一种或两种方式。

所述热处理方式为热处理温度为50℃～400℃，处理时间为30分钟～5小时，处理气氛为空气、氮气或氩气。

实施例一

将十二烷基硫酸钠、异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯钠加入蒸馏水中，机械搅拌2小时，形成均匀的分散剂浓度为0.5wt％的分散剂水溶液；将活性碳和碳纳米管加入上述分散剂水溶液中，机械搅拌20分钟，形成均匀的导电碳材料悬浮液；将聚四氟乙烯乳液加入上述导电碳材料悬浮液中，超声分散1分钟，形成憎水剂浓度为20wt％的微孔层浆料；将上述微孔层浆料通过刮涂与喷涂结合的方式至经过憎水处理的支撑层的一侧，先置于105℃烘箱中加热并称重，然后重复该步骤直到导电碳材料的担载量达到1.5mg/cm2和憎水剂的担载量达到憎水剂和导电碳材料总质量的40％，再置于充氮气烘箱中，在400℃温度下烧结2小时得到气体扩散层。

将丁酸钠、苯甲酸钠、三嗪三氨基己酸钠加入蒸馏水中，100℃机械搅拌6小时，形成均匀的金属缓蚀剂水溶液；将上述金属缓蚀剂水溶液通过刷涂的方式至经过憎水处理的支撑层的另一侧，再置于80℃烘箱中加热并称重，然后重复该步骤直到金属缓蚀剂的担载量为每平方厘米支撑层中含有金属缓蚀剂0.5mg，得到基于气体扩散层的金属缓蚀剂层。

实施例二

将聚乙烯吡咯烷酮加入去离子水中，机械搅拌1小时，形成均匀的分散剂浓度为0.1wt％的分散剂水溶液；将导电碳黑加入上述分散剂水溶液中，机械搅拌10分钟，形成均匀的导电碳材料悬浮液；将聚三氟氯乙烯和聚偏氟乙烯乳液加入上述导电碳材料悬浮液中，机械搅拌1分钟，超声分散30分钟，形成憎水剂浓度为1wt％的微孔层浆料；将上述微孔层浆料通过抽滤的方式至经过憎水处理的支撑层的一侧，先置于100℃烘箱中加热并称重，然后重复该步骤直到导电碳材料的担载量达到0.1mg/cm2和憎水剂的担载量达到憎水剂和导电碳材料总质量的60％，再置于充氮气烘箱中，在350℃温度下烧结4小时得到气体扩散层。

将谷氨酸钠、新癸酸钠、丁二酸钠加入去离子水中，室温机械搅拌10小时，形成均匀的金属缓蚀剂水溶液；将上述金属缓蚀剂水溶液通过喷涂的方式至经过憎水处理的支撑层的另一侧，再置于50℃烘箱中加热并称重，然后重复该步骤直到金属缓蚀剂的担载量为每平方厘米支撑层中含有金属缓蚀剂0.1mg，得到基于气体扩散层的金属缓蚀剂层。

实施例三

将聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物、十六烷基三甲基溴化铵加入蒸馏水中，超声分散30分钟，形成均匀的分散剂浓度为1.44wt％的分散剂水溶液；将碳纳米纤维和石墨粉加入上述分散剂水溶液中，超声分散20分钟，形成均匀的导电碳材料悬浮液；将四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物乳液加入上述导电碳材料悬浮液中，超声分散1小时，形成憎水剂浓度为42wt％的微孔层浆料；将上述微孔层浆料通过丝网印刷的方式至经过憎水处理的支撑层的一侧，先置于95℃烘箱中加热并称重，然后重复该步骤直到导电碳材料的担载量达到3mg/cm2和憎水剂的担载量达到憎水剂和导电碳材料总质量的10％，再置于充氮气烘箱中，在330℃温度下烧结5小时得到气体扩散层。

将十二碳二酸钾、柠檬酸钾加入蒸馏水中，50℃机械搅拌5小时，形成均匀的金属缓蚀剂水溶液；将上述金属缓蚀剂水溶液通过喷涂的方式至经过憎水处理的支撑层的另一侧，先置于110℃烘箱中加热并称重，然后重复该步骤直到金属缓蚀剂的担载量为每平方厘米支撑层中含有金属缓蚀剂1.5mg，得到基于气体扩散层的金属缓蚀剂层。

实施例四

将辛基酚聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸盐、十二烷基琥珀酸加入蒸馏水中，超声分散1小时30分钟，形成均匀的分散剂浓度为2wt％的分散剂水溶液；将碳纤维和碳微球加入上述分散剂水溶液中，超声分散10分钟，形成均匀的导电碳材料悬浮液；将四氟乙烯与全氟烷基乙烯基醚的共聚物乳液加入上述导电碳材料悬浮液中，机械搅拌2小时，形成憎水剂浓度为60wt％的微孔层浆料；将上述微孔层浆料通过刷涂与印涂结合的方式至经过憎水处理的支撑层的一侧，先置于100℃烘箱中加热并称重，然后重复该步骤直到导电碳材料的担载量达到6mg/cm2和憎水剂的担载量达到憎水剂和导电碳材料总质量的5％，再置于充氮气烘箱中，在370℃温度下烧结3小时得到气体扩散层。

将磺酸基硅氧烷酮加入蒸馏水中，88℃超声分散2小时，形成均匀的金属缓蚀剂水溶液；将上述金属缓蚀剂水溶液通过刷涂的方式至经过憎水处理的支撑层的另一侧，再置于100℃烘箱中加热并称重，然后重复该步骤直到金属缓蚀剂的担载量为每平方厘米支撑层中含有金属缓蚀剂3mg，得到基于气体扩散层的金属缓蚀剂层。

对比例一

与实施例一相同：将十二烷基硫酸钠、异辛醇聚氧乙烯醚磷酸酯钠加入蒸馏水中，机械搅拌2小时，形成均匀的分散剂浓度为0.5wt％的分散剂水溶液；将活性碳和碳纳米管加入上述分散剂水溶液中，机械搅拌20分钟，形成均匀的导电碳材料悬浮液；将聚四氟乙烯乳液加入上述导电碳材料悬浮液中，超声分散1分钟，形成憎水剂浓度为20wt％的微孔层浆料；将上述微孔层浆料通过刮涂与喷涂结合的方式至经过憎水处理的支撑层的一侧，先置于105℃烘箱中加热并称重，然后重复该步骤直到导电碳材料的担载量达到1.5mg/cm2和憎水剂的担载量达到憎水剂和导电碳材料总质量的40％，再置于充氮气烘箱中，在400℃温度下烧结2小时得到气体扩散层。

采用上述实施例一和对比例一得到的气体扩散层分别作为阳极气体扩散层，其他组件相同，组装两个单电池进行耐久性测试。测试结果如图2所示，实施例一的电池耐久性测试优于对比例一。