本发明涉及燃料电池领域，公开了一种金属基燃料电池气体扩散层材料及制备方法。
背景技术：
燃料电池作为新兴绿色能源，在未来具有广阔的应用空间和发展前景。质子交换膜燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置,近年来成为各国研究开发的热点。其核心部件膜电极三合一通常由气体扩散层、催化层和质子交换膜通过热压工艺制备而成。气体扩散层由导电的多孔材料组成,起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多重作用，实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配,是影响电极性能的关键部件之一。
气体扩散层材料需要具有以下特性：1、多孔透气，促进气体分子与催化剂层的活性位点充分接触；2、电子电导率高，使气体被分解后产生的电子迅速通过极板向外电路迁移；3、热导率高，防止内部体系温度过高引起质子交换膜老化；4、高疏水性，使反应产物水可以迅速排出，控制反应气源的浓度；5、大电流下的耐受性。
气体扩散层由高疏水性的基底材料与微孔层组成，其基底材料通常为疏水改性的碳纤维复合成的碳纸，微孔层为负载金属催化剂的炭黑颗粒。金属材料具有比碳纤维材料更高的电子电导率和热导率，作为燃料电池气体扩散层具有其独特的优势，而且其成本比碳纤维材料更低，但其在实际应用中的易腐蚀而寿命较短的问题限制了进一步的发展应用。
中国发明专利申请号201710156824.1公开了一种燃料电池气体扩散层结构，其厚度为3.0~5.0mm，包括一基底层和一微孔层，基底层的一侧具有气体流道，另一侧与微孔层相连，基底层的材质为金属纤维毡，微孔层上具有铜-石墨烯复相膜。该发明的燃料电池气体扩散层结构与现有技术相比，具有机械强度高，排水性、透气性，接触电阻低等优点。
中国发明专利申请号201510475625.8公开了了一种耐腐蚀燃料电池气体扩散层的制备方法，气体扩散层由微孔层和支撑层组成，制备方法如下：将金属氧化物纳米粉体加入到含有分散剂的水溶液中，并搅拌、超声分散至形成均匀的悬浮液；再加入憎水剂乳液，搅拌至形成微孔层浆料；将微孔层浆料均匀涂覆到支撑层的一侧上，支撑层另一侧喷涂低浓度的憎水剂乳液；烘干并置于充氮烘箱中烧结得到气体扩散层。采用本发明所述制备方法得到的气体扩散层，有效保证了微孔层浆料中导电材料和疏水材料分散均匀，使其具备适宜的亲疏水性能，提高了气体扩散层的耐腐蚀性和稳定性，降低了成本。
根据上述，现有方案中燃料电池的碳纤维气体扩散层制备成本高昂，而其高湿度的工作环境使得金属气体扩散层材料极易受到腐蚀，从而使其使用寿命严重下降，现有的将金属材料进行包覆改性的方法过程复杂，效果不理想，本发明提出了一种金属基燃料电池气体扩散层材料及制备方法，可有效解决上述技术问题。
技术实现要素：
目前应用较广的燃料电池碳纤维气体扩散层价格昂贵，导电导热性能不良，而金属基气体扩散层存在极易受到腐蚀，严重影响使用寿命的缺点，而现有的包覆改性的技术复杂，改性效果不理想，限制了金属基气体扩散层的发展应用。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种金属基燃料电池气体扩散层材料的制备方法，制备的具体过程为：
（1）先将金属源溶解于去离子水中，然后将有机纤维进行分散，再加入助剂，使有机纤维吸附金属离子，制得金属-有机复合纤维的配合物溶液；
（2）先将步骤（1）制得的配合物溶液在在氢环境下，在600~800℃下高温处理1~3h，形成空心金属管；
（3）先将步骤（2）制得的空心金属管置于含有正十四碳酸的乙醇溶液中，浸泡7d，通过正十四碳酸与金属反应，在空心金属管的表面及孔道内部形成类花瓣状疏水结构，然后采用去离子水洗涤并干燥，制得金属基燃料电池气体扩散层材料。
优选的，步骤（1）所述金属源包括金属的可溶性硝酸盐、氯化盐与醋酸盐类，所述金属种类包括铜、铁、镍的一种或几种。
优选的，步骤（1）所述有机纤维为直径为2~5μm，长径比为80~100的聚乙烯醇纤维。
优选的，步骤（1）所述助剂为亚甲基双萘磺酸钠、亚甲基双甲基萘磺酸钠中的至少一种。
优选的，步骤（1）所述配合物溶液中，金属源4~8重量份、去离子水61~73重量份、有机纤维22~28重量份、助剂1~3重量份。
优选的，步骤（3）所述正十四碳酸的乙醇溶液中，正十四碳酸20~40重量份、乙醇60~80重量份。
由上述方法制备得到的一种金属基燃料电池气体扩散层材料，使用微米级有机纤维对金属离子进行吸附，使纤维表面沉积一层金属离子,通过还原和烧结形成金属空心管，最后将金属空心管置于正十四碳酸的乙醇溶液中，正十四碳酸与金属反应，在空心金属管的表面及孔道内部形成类花瓣状疏水结构，然后采用去离子水洗涤并干燥，制得金属基燃料电池气体扩散层材料。
测试本发明制备的气体扩散层的接触角及成本，并与碳纤维气体扩散层相对比，本发明的方法具有明显优势，如表1所示。
表1：
本发明提供了一种金属基燃料电池气体扩散层材料及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、提出了采用金属离子吸附在有机纤维表面还原和烧结，形成金属空心管，并在金属空心管道表面及内壁进行疏水包覆，包覆层经有机相处理呈花瓣状，具有强疏水性，可以促进水分的传导同时保护内部金属空心管免受酸性与高湿度的腐蚀。
2、本发明制得的材料具有金属本身的强度、高导电导热性能，电化学性能，适合用于燃料电池气体扩散层，比碳纤维基气体扩散层更加优异。
3、本发明的制备工序简单，成本低廉，适宜于大规模工业化生产。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）先将4重量份金属源硝酸铜溶解于61重量份去离子水中，然后将直径为5μm，长径比为80的聚乙烯醇纤维分散其中，并加入1重量份亚甲基双萘磺酸钠分散，使聚乙烯醇纤维吸附金属离子，制得金属-有机复合纤维的配合物溶液；
（2）先将步骤（1）制得的配合物溶液在在氢环境下，在600℃下高温处理1h，形成空心金属管；
（3）先将步骤（2）制得的空心金属管置于含有正十四碳酸的乙醇溶液中，浸泡7d，通过正十四碳酸与金属反应，在空心金属管的表面及孔道内部形成类花瓣状疏水结构，然后采用去离子水洗涤并干燥，制得金属基燃料电池气体扩散层材料。所述正十四碳酸的乙醇溶液中，正十四碳酸20重量份、乙醇80重量份。
花瓣状疏水结构的平均厚度为130nm，结构式为cu(ch3(ch2)12coo)2。
实施例2
（1）先将5重量份金属源硝酸镍溶解于65重量份去离子水中，然后将直径为5μm，长径比为80的聚乙烯醇纤维分散其中，并加入2重量份亚甲基双甲基萘磺酸钠分散，使聚乙烯醇纤维吸附金属离子，制得金属-有机复合纤维的配合物溶液；
（2）先将步骤（1）制得的配合物溶液在在氢环境下，在650℃下高温处理1h，形成空心金属管；
（3）先将步骤（2）制得的空心金属管置于含有正十四碳酸的乙醇溶液中，浸泡7d，通过正十四碳酸与金属反应，在空心金属管的表面及孔道内部形成类花瓣状疏水结构，然后采用去离子水洗涤并干燥，制得金属基燃料电池气体扩散层材料。所述正十四碳酸的乙醇溶液中，正十四碳酸20重量份、乙醇80重量份。
实施例3
（1）先将6重量份金属源氯化铜溶解于70重量份去离子水中，然后将直径为5μm，长径比为80的聚乙烯醇纤维分散其中，并加入1重量份亚甲基双萘磺酸钠分散，使聚乙烯醇纤维吸附金属离子，制得金属-有机复合纤维的配合物溶液；
（2）先将步骤（1）制得的配合物溶液在在氢环境下，在800℃下高温处理2h，形成空心金属管；
（3）先将步骤（2）制得的空心金属管置于含有正十四碳酸的乙醇溶液中，浸泡7d，通过正十四碳酸与金属反应，在空心金属管的表面及孔道内部形成类花瓣状疏水结构，然后采用去离子水洗涤并干燥，制得金属基燃料电池气体扩散层材料。所述正十四碳酸的乙醇溶液中，正十四碳酸20重量份、乙醇80重量份。
花瓣状疏水结构的平均厚度为130nm，结构式为cu(ch3(ch2)12coo)2。
实施例4
（1）先将8重量份金属源硝酸铜溶解于73重量份去离子水中，然后将直径为5μm，长径比为80的聚乙烯醇纤维分散其中，并加入1重量份亚甲基双甲基萘磺酸钠分散，使聚乙烯醇纤维吸附金属离子，制得金属-有机复合纤维的配合物溶液；
（2）先将步骤（1）制得的配合物溶液在在氢环境下，在600℃下高温处理3h，形成空心金属管；
（3）先将步骤（2）制得的空心金属管置于含有正十四碳酸的乙醇溶液中，浸泡7d，通过正十四碳酸与金属反应，在空心金属管的表面及孔道内部形成类花瓣状疏水结构，然后采用去离子水洗涤并干燥，制得金属基燃料电池气体扩散层材料。所述正十四碳酸的乙醇溶液中，正十四碳酸40重量份、乙醇60重量份。
实施例5
（1）先将7重量份金属源硝酸镍溶解于61重量份去离子水中，然后将直径为2μm，长径比为100的聚乙烯醇纤维分散其中，并加入1重量份亚甲基双萘磺酸钠分散，使聚乙烯醇纤维吸附金属离子，制得金属-有机复合纤维的配合物溶液；
（2）先将步骤（1）制得的配合物溶液在在氢环境下，在600℃下高温处理1h，形成空心金属管；
（3）先将步骤（2）制得的空心金属管置于含有正十四碳酸的乙醇溶液中，浸泡7d，通过正十四碳酸与金属反应，在空心金属管的表面及孔道内部形成类花瓣状疏水结构，然后采用去离子水洗涤并干燥，制得金属基燃料电池气体扩散层材料。所述正十四碳酸的乙醇溶液中，正十四碳酸30重量份、乙醇70重量份。
对比例1
对比例1未对空心金属管金属空心管进行正十四碳酸的乙醇溶液疏水改性，其余与实施例5一致。
将实施例1-5、对比例1得到的材料在同等条件下制备成厚度为200微米的气体扩散层，测试接触角；并在80℃，气体流量为200ml/min时，测试扩散层的水蒸气透过率。如表2。
表2：