一种碳纸-微孔层一体化的气体扩散层及其制备方法和应用

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种碳纸-微孔层一体化的气体扩散层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池具有效率高、产物无污染以及可在低温下运行等特点被认为是最有发展前途的燃料电池之一。对质子交换膜燃料电池而言，高电流密度下，电化学反应与电渗作用加剧，水在阴极侧聚集造成电池水淹，反应气体无法顺利到达催化剂表面进行电化学反应，电池性能急剧下降。因此，气体扩散层是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，主要作用：(1)支撑催化层；(2)将反应气体传送到催化层进行电化学反应；(3)将多余的水排到电池外避免水淹现象发生。现有技术中，气体扩散散层主要使用的材料是碳纤维纸，为了实现电池具有较高的输出功率，满足商业化的高输出功率要求，研究者们普遍认为在碳纤维纸上涂覆一层微孔层有利于提高电池的输出功率，这主要得益于添加的微孔层可以降低催化层和碳纸的接触电阻以及增强电池内部的质量传输。

2、碳纸的微孔层一般使通过刮涂、喷涂、丝网印刷等方法制备，传统的微孔层浆料主要由导电炭黑和疏水剂组成，制备工艺成熟且成本较低，但性能较差不能满足燃料电池商业化的需求。在刮涂的过程中会不可避免有浆料渗入到碳纤维纸内部，造成部分大孔被堵住，影响电池的性能，刮涂法目前已经是一种成熟的工艺用于制备微孔层，但这种方法制备的微孔层的电池性能较差。喷涂添加微孔层方法是将碳粉浆料通过高压喷枪喷到碳纸上烘干制备微孔层，这种方法制备微孔层均一性好但耗时长，难以大规模推广使用。丝网印刷添加微孔层方法是采用丝网印刷机在碳纸上添加微孔层，需要相应的丝网印刷设备。例如，中国发明专利cn109461940a提供的将配置好的导电炭黑vulacan xc-72r和聚四氟乙烯浆料刮涂到碳纤维纸的一面上，同时，在微孔层浆料中加入了碳纳米管或纤维材料，使用具有一定长度和直径的碳纳米管或碳纳米纤维材料作为立体骨架，可有效提高气体扩散层与催化层的立体化空间，改善电池内部的水汽传输，抑制水淹的发生，提高电池在高电流密度下的输出性能。

3、显然，为了提高燃料电池的性能，将碳纳米管应用于微孔层的制备也已经是一种常见的技术手段。例如，中国发明专利cn105742666a公开了一种燃料电池用碳纳米管气体扩散层机器制备方法和应用，将催化剂前驱体溶于乙醇中，接着将碳纤维纸浸入其中，干燥得到催化剂前驱体负载的碳纤维纸，在催化剂与等离子体作用下直接于大孔炭基支撑层上生成碳纳米管，得到原位生长碳纳米管的炭纸；碳纳米管生长在气体扩散层内侧，气体扩散层中碳纳米管一侧与水的接触角为130～150°。但是该方法作为微孔层的碳纳米管是利用化学气相沉积法得到的。而且，现有技术中，化学气相沉积法制备碳纳米管是最主要的制备方法。但是，该方法条件苛刻、能源消耗较大且反应时间较长，相应地制备的设备也较为昂贵，大大地提升了制备成本，因此对碳纳米管在燃料电池领域中的广泛应用具有明显的局限性。即使采用化学气相沉积法制备的微孔层在电池性能上具有明显的优势，但是由于其制备方法的苛刻条件和高加工成本明显地限制了其工业化的大范围推广使用。

4、基于此，为了使燃料电池气体扩散层用碳纸具有更好的导电性和满足燃料电池需要的孔隙结构，亟需在现有技术基础上开发一种气体扩散层用碳纸，既能提高燃料电池气体扩散层的使用性能，同时又能简化制备过程，降低成本，适宜于工业化推广生产。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供了一种碳纸-微孔层一体化的气体扩散层及其制备方法和应用，通过火焰法，直接在碳纸表面生长碳纳米管，形成具有一体结构的微孔层，将其作为气体扩散层应用于燃料电池中，具有合成时间短、设备简单、能源消耗少的特点。

2、为了达到上述目的，本发明提供了碳纸-微孔层一体化的气体扩散层，将催化剂负载于碳纸上，采用火焰法在碳纸表面生长碳纳米管，碳纳米管在碳纸表面完全缠绕形成微孔结构形成微孔层，得到具有碳纸-微孔层一体化的、能够适用于燃料电池的气体扩散层。

3、优选地，所述催化剂为镍、铁或钴的无机盐的乙醇溶液；进一步地，所述催化剂为硝酸镍、硫酸镍、硝酸钴、硫酸钴、硫酸铁、硝酸铁中的任一种；所述碳纸不含有微孔层，且不含有疏水剂。

4、优选地，所述催化剂溶于乙醇中得到催化剂前驱体的乙醇溶液；所述催化剂前驱体浓度为0.1～1.5mol/l。

5、优选地，所述碳纸-微孔层一体化结构中，所述碳纸的接触角大于150°，可为气体扩散层提供良好的疏水性能。

6、为实现另一个目的，本发明还提供了制备上述碳纸-微孔层一体化的气体扩散层的制备方法，具体步骤包括：

7、s1.催化剂溶液配置：将镍盐溶于乙醇中配置得到所述催化剂溶液；

8、s2.催化剂的负载：将所述碳纸浸渍与所述催化剂溶液中，所述催化剂负载于所述碳纸表面，取出后干燥；

9、s3.火焰法制备微孔层：将负载有所述催化剂的碳纸经乙醇火焰灼烧处理，在所述催化剂的作用下在所述碳纸的表面生长碳纳米管，干燥后得到碳纸-微孔层一体化结构的所述气体扩散层。

10、优选地，步骤(2)中，负载有所述催化剂的所述碳纸从溶液中取出后，将所述碳纸的表面的乙醇溶液快速蒸发后，再进行干燥。

11、优选地，步骤(3)中，将表面生长有所述碳纳米管的所述碳纸置于酸液中进行超声清洗，除掉催化剂金属颗粒。

12、优选地，所述气体扩散层表面还包括疏水层；将所述碳纸-微孔层浸渍于进入疏水剂中，使所述疏水剂附着于所述微孔层表面，干燥后即得到所述疏水层；所述疏水层占所述气体扩散层总质量的5～20％。

13、优选地，所述疏水剂为聚四氟乙烯、四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物、聚偏氟乙烯、聚三氟氯乙烯中的任一种或几种的混合物。

14、采用上述技术方案提供的气体扩散层应用于燃料电池中，由于碳纳米管在碳纸表面完全缠绕具有的微孔结构能够为气体扩散层提供良好的气体流通性，能够有效地提高气体扩散层与催化层的立体化空间，改善电池内部的水汽传输，抑制水淹的发生，提高燃料电池在高电流密度下的输出性能。

15、尤其地，采用火焰法在碳纸表面直接生长碳纳米管的方法，无需单独制备微孔层，能够形成碳纸-微孔层一体化结构的气体扩散层，大大地简化了工艺流程，降低了生产成本。且，将其应用与燃料电池，能够与直接使用商用的碳纸作为气体扩散层相比，电池性能提高了24％。

16、本发明所获得的有益技术效果：

17、1.采用本发明技术方案制备的气体扩散层，采用了火焰法直接在碳纸表面生长碳纳米管，碳纳米管在碳纸表面完全缠绕形成微孔结构形成微孔层；在碳纸表面直接生长碳纳米管的方法，无需单独制备微孔层，形成微孔层-碳纸一体化结构的气体扩散层，该微孔层具有的微孔结构具有良好的气体流通性，可有效提高气体扩散层与催化层的立体化空间，改善电池内部的水汽传输，抑制水淹的发生，提高燃料电池在高电流密度下的输出性能。

18、2.采用本发明技术方案，采用火焰法直接在碳纸表面生长碳纳米管，相较于现有技术中的化学气相沉积法具有设备和工艺简单、制备时间短和能耗较低等优点，且火焰法可以在常温常压下进行碳纳米管的制备。

19、3.采用本发明技术方案，通过在碳纸表面直接生长碳纳米管，得到具有微孔层-碳纸一体化的气体扩散层，且能够适用于燃料电池，气体扩散层成为完全使用碳纸制备而成，且碳纸的导电性能良好，能很好满足燃料电池的需要，相较于商业碳纸的电池性能提高了24％。

20、4.采用本发明技术方案，能够通过控制负载在碳纸表面的催化剂的浓度来控制碳纳米管的密度，从而能够调控微孔层的气体通量，从而得到具有不同性能的气体扩散层应用于燃料电池中。

21、5.采用本发明技术方案，通过在碳纸表面直接生长碳纳米管，碳纸的接触角均大于150度，气体扩散层具备良好的疏水性能；同时碳纳米管的密度对接触角几乎无影响，因此，采用本发明的技术方案均能够获得具有良好疏水性能的气体扩散层，进一步地降低了产品性能对工艺的要求。

22、6.采用本发明技术方案，采用浸渍的方法，避免在微孔层的表面涂覆浆料，导致浆料渗透造成微孔层的孔结构堵塞，影响了气体扩散层的水汽的流通性，导致电池的性能变差。

23、7.采用本发明技术方案，完全以碳纸作为原料，且工艺简单，大大地降低了生产成本；同时，采用乙醇作为溶剂，其燃烧的乙醇火焰在满足了碳纳米管生长的温度外，避免了而其他成分的污染，且成本低、环保无污染。