本发明涉及一种燃料电池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)的核心组件是膜电极(mea)，膜电极是由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。气体扩散层(gdl)处于催化层和双极板之间，其主要作用是支撑催化层，收集电流，传输反应气体和反应产生的水。
一般的气体扩散层通常由支撑层和微孔层构成，支撑层的基体主要是由碳纤维纸之类的多孔截至材料构成，而微孔层是由碳粉与憎水性的聚四氟乙烯(ptfe)构成。衡量气体扩散层好坏的主要参数一个是导电性，导电性主要是由其材质决定，另一个就是排水导气性，它决定着反应气体的扩散与反应产生的水的排出，从而很大程度上影响电池的性能。
目前广泛应用的气体扩散层为了满足排水导电的功能，采用的ptfe乳液浸渍和使用碳纸作为基体来解决。但仍然存在着孔隙率低，气体通道不理想，在大电流放电的情况下，电池性能下降。且在燃料电池长期的运行环境下，碳黑材料逐步发生氧化，使微孔层变得亲水，增加传质极化，缩短了电池的使用寿命和稳定性。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种内阻小、水管理性能优越、使用寿命长的燃料电池气体扩散层，同时还提供了本发明燃料电池气体扩散层的制备方法。
本发明通过以下方案实现：
一种燃料电池气体扩散层，在碳纸的一面上涂覆气体扩散层浆料后烧结处理制得，所述气体扩散层浆料中包括ptfe、碳粉和多孔纳米纤维状镍粉，所述气体扩散层浆料的固含量为2.2％～3.75％，所述碳粉与多孔纳米纤维状镍粉的质量比为(1～5)：1，所述ptfe的质量为碳粉与多孔纳米纤维状镍粉的总质量的10％～25％，所述碳纸上的固体载量为1～3mg/cm2。
一种如上所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，按以下步骤进行：
ⅰ将纳米纤维状铁镍合金粉加入至过量酸溶液中搅拌一定时间后过滤，之后将滤渣洗涤至中性，再将滤渣烘干得到多孔纳米纤维状镍粉；在酸溶液溶液中搅拌时间一般为0.5～5h，将纳米纤维状铁镍合金粉中的铁金属溶解在酸溶液中即可，滤渣洗涤一般使用去离子水洗涤；烘干处理工艺一般为：将滤渣置于70～90℃的烘箱中3～5h；
ⅱ将碳粉与步骤ⅰ制得的多孔纳米纤维状镍粉以一定质量比加入至含有分散剂的醇溶液中搅拌分散均匀得到悬浮液，搅拌时间一般控制为2～5h，采用超声分散，分散时间一般控制为0.5～2h，所述醇溶液中分散剂的质量占比为0.1％～1％，所述悬浮液的固含量控制为2～3％；含有分散剂的醇溶液的配置工艺具体为：将分散剂溶解在质量浓度为50％～90％的醇溶液中并搅拌均匀；
ⅲ将憎水剂加入到步骤ⅱ制得的悬浮液中分散均匀得到气体扩散层浆料，所述气体扩散层浆料的固含量控制为2.2％～3.75％；采用超声分散，分散时间一般控制为0.5～2h；
ⅳ在环境温度为60～90℃条件下将步骤ⅲ制得的气体扩散层浆料涂覆在经浸渍烧结处理后的碳纸的一面上，最后将涂覆有气体扩散层浆料的碳纸置于充满保护气体且温度为300～450℃的热处理装置中烧结处理3～5h，所述碳纸上的固体载量控制为1～3mg/cm2，碳纸上的固体载量通过超声喷涂仪等的喷涂流量及喷涂次数或时间进行控制。
所述步骤ⅱ中，碳粉与多孔纳米纤维状镍粉的质量比为(1～5)：1。
所述步骤ⅲ中，憎水剂为ptfe溶液，ptfe的质量为步骤ⅱ中加入的碳粉与多孔纳米纤维状镍粉的总质量的10％～25％。ptfe溶液的浓度可根据需要进行选择，一般选择为10％～25％。
所述步骤ⅰ中，酸溶液为盐酸溶液或硫酸溶液；所述步骤ⅱ中，醇溶液为异丙醇溶液、乙醇溶液、乙二醇溶液中的一种或多种，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮或烷基酚聚氧乙烯醚。
所述碳纸的浸渍烧结处理工艺具体为：将碳纸浸渍在质量浓度为10％～25％的憎水剂中抽真空处理1～2小时，取出干燥后置于充满保护气体且温度为300～450℃的热处理装置中烧结处理3～5h。
保护气体一般为氮气、惰性气体中的一种或多种。
本发明的燃料电池气体扩散层，内阻小，水管理性能优越，使用寿命较长，在浆料中添加了多孔纳米纤维状镍粉，并控制碳粉与多孔纳米纤维状镍粉的质量比，使得燃料电池气体扩散层的孔隙率、导电率较高。本发明的燃料电池气体扩散层的制备方法，简单可行。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例之表述。
实施例1
一种燃料电池气体扩散层的制备方法，按以下步骤进行：
ⅰ将5cm×5cm、厚度为200μm的碳纸浸渍在质量浓度为10％的ptfe溶液中抽真空处理1小时，取出干燥后置于充满氮气且温度为300℃的烘箱中烧结处理5h；
ⅱ将纳米纤维状铁镍合金粉加入至过量盐酸溶液中搅拌2h后过滤，之后将滤渣使用去离子水洗涤至中性，再将滤渣烘干得到多孔纳米纤维状镍粉；
ⅲ将聚乙烯吡咯烷酮(pvp)溶解在质量浓度为50％的异丙醇溶液中并搅拌均匀，pvp的质量占比控制为0.5％；
ⅳ将1.5g碳粉与1.5g步骤ⅱ制得的多孔纳米纤维状镍粉加入至97g步骤ⅲ制得的异丙醇溶液中先高速搅拌2h再超声分散2h得到悬浮液；
ⅴ将3g质量浓度为10％的ptfe溶液加入到步骤ⅳ制得的悬浮液中超声分散1h得到气体扩散层浆料；
ⅵ在环境温度为80℃条件下将步骤ⅴ制得的气体扩散层浆料采用超声喷涂仪喷涂在经步骤ⅰ处理得到的碳纸的一面上，超声喷涂仪的喷涂流量为5ml/min、往复喷涂时间控制为10min，最后将涂覆有气体扩散层浆料的碳纸置于充满氮气且温度为350℃的烘箱中烧结处理4h，得到燃料电池气体扩散层。
将实施例1制得的燃料电池气体扩散层进行检测，碳纸上的固体载量为2mg/cm2。将实施例1制得的燃料电池气体扩散层制作成膜电极，测得膜电极的内阻为0.00008欧姆/cm2。
实施例2
一种燃料电池气体扩散层的制备方法，按以下步骤进行：
ⅰ将5cm×5cm、厚度为200μm的碳纸浸渍在质量浓度为20％的ptfe溶液中抽真空处理2小时，取出干燥后置于充满惰性气体且温度为450℃的烘箱中烧结处理3h；
ⅱ将纳米纤维状铁镍合金粉加入至过量硫酸溶液中搅拌3.5h后过滤，之后将滤渣使用去离子水洗涤至中性，再将滤渣烘干得到多孔纳米纤维状镍粉；
ⅲ将烷基酚聚氧乙烯醚(apeo)溶解在质量浓度为70％的乙醇溶液中并搅拌均匀，apeo的质量占比控制为0.2％；
ⅳ将3g碳粉与1g步骤ⅱ制得的多孔纳米纤维状镍粉加入至156g步骤ⅲ制得的乙醇溶液中先高速搅拌3.5h再超声分散1h得到悬浮液；
ⅴ将10g质量浓度为10％的ptfe溶液加入到步骤ⅳ制得的悬浮液中超声分散2h得到气体扩散层浆料；
ⅵ在环境温度为90℃条件下将步骤ⅴ制得的气体扩散层浆料采用超声喷涂仪喷涂在经步骤ⅰ处理得到的碳纸的一面上，超声喷涂仪的喷涂流量为5ml/min、往复喷涂时间控制为15min，最后将涂覆有气体扩散层浆料的碳纸置于充满惰性气体且温度为450℃的烘箱中烧结处理3h，得到燃料电池气体扩散层。
将实施例2制得的燃料电池气体扩散层进行检测，碳纸上的固体载量为3mg/cm2。将实施例2制得的燃料电池气体扩散层制作成膜电极，测得膜电极的内阻为0.00012欧姆/cm2。
实施例3
一种燃料电池气体扩散层的制备方法，按以下步骤进行：
ⅰ将5cm×5cm、厚度为200μm的碳纸浸渍在质量浓度为25％的ptfe溶液中抽真空处理2小时，取出干燥后置于充满氮气和惰性气体且温度为350℃的烘箱中烧结处理4h；
ⅱ将纳米纤维状铁镍合金粉加入至过量硫酸溶液中搅拌4h后过滤，之后将滤渣使用去离子水洗涤至中性，再将滤渣烘干得到多孔纳米纤维状镍粉；
ⅲ将烷基酚聚氧乙烯醚(apeo)溶解在质量浓度为90％的乙二醇溶液中并搅拌均匀，apeo的质量占比控制为1％；
ⅳ将4g碳粉与0.8g步骤ⅱ制得的多孔纳米纤维状镍粉加入至235g步骤ⅲ制得的乙二醇溶液中先高速搅拌5h再超声分散0.5h得到悬浮液；
ⅴ将7.2g质量浓度为10％的ptfe溶液加入到步骤ⅳ制得的悬浮液中超声分散0.8h得到气体扩散层浆料；
ⅵ在环境温度为60℃条件下将步骤ⅴ制得的气体扩散层浆料采用超声喷涂仪喷涂在经步骤ⅰ处理得到的碳纸的一面上，超声喷涂仪的喷涂流量为5ml/min、往复喷涂时间控制为8min，最后将涂覆有气体扩散层浆料的碳纸置于充满氮气且温度为300℃的烘箱中烧结处理5h，得到燃料电池气体扩散层。
将实施例3制得的燃料电池气体扩散层进行检测，碳纸上的固体载量为1.5mg/cm2。将实施例3制得的燃料电池气体扩散层制作成膜电极，测得膜电极的内阻为0.0001欧姆/cm2。