燃料电池气体扩散层及燃料电池电极和膜电极的制备方法

摘要

一种燃料电池气体扩散层的制备方法，该方法包括将含有导电剂和疏水剂的浆料均匀分布到支撑材料上，然后烧结含有导电剂和疏水剂的支撑材料，其特征在于，将含有导电剂和疏水剂的浆料均匀分布到支撑材料上的方法包括在支撑材料的第一表面和第二表面形成压力差，第二表面的压力大于第一表面的压力，将含有导电剂和疏水剂的浆料与支撑材料的第二表面接触，第一表面和第二表面分别为支撑材料相对的两个表面。本发明提供的方法操作步骤少、过程简单，无需要额外使用开孔剂即可得到几乎百分之百地保持支撑材料本身孔隙率的扩散层，使得电池的电流密度比同类电池提高近43％。

权利要求

1.一种燃料电池气体扩散层的制备方法，该方法包括将含有导电剂和疏水剂的浆料均匀分布到支撑材料上，然后烧结含有导电剂和疏水剂的支撑材料，其特征在于，将含有导电剂和疏水剂的浆料均匀分布到支撑材料上的方法包括在支撑材料的第一表面和第二表面形成压力差，第二表面的压力大于第一表面的压力，将含有导电剂和疏水剂的浆料与支撑材料的第二表面接触，第一表面和第二表面分别为支撑材料相对的两个表面。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，形成压力差的方法为从支撑材料的第一表面一侧抽滤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述压力差为0.01-0.1兆帕。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述浆料的用量使导电剂和疏水剂在支撑材料上形成厚度为50-200微米的薄层。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述浆料中导电剂与疏水剂的重量比为

1-10∶1。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括在形成压力差之前，先将部分浆料均匀地预分布在支撑材料的第二表面上。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括在将含有导电剂和疏水剂的浆料与支撑材料的第二表面接触之前，先将支撑材料在疏水剂溶液或乳液中浸泡。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述疏水剂溶液或乳液的浓度为5-30重量％，浸泡的时间为10-70分钟。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括在将含有导电剂和疏水剂的浆料与支撑材料的第二表面接触之前，对支撑材料进行预烧结，预烧结的温度为340-400℃，时间为20-90分钟。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述支撑材料为碳纸、碳布、多孔金属网中的一种，所述导电剂为碳黑和/或导电乙炔黑，所述疏水剂为聚四氟乙烯、聚六氟丙烯、聚偏氟乙烯中的一种或几种。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述烧结含有导电剂和疏水剂的支撑材料的条件包括烧结温度为300-400℃，烧结时间为5-100分钟。

12.一种燃料电池电极的制备方法，该方法包括在气体扩散层上负载催化层，其中，所述气体扩散层采用权利要求1-11中任意一项方法制备。

13.一种燃料电池膜电极的制备方法，该方法包括将两个燃料电池电极分别与质子交换膜的两个表面结合，其中，所述燃料电池电极采用权利要求12所述的方法制备。

14.一种燃料电池膜电极的制备方法，其中，该方法包括将两个气体扩散层分别与表面具有催化层的质子交换膜的两个表面结合，所述气体扩散层采用权利要求1-11中任意一项所述的方法制备。

说明书

燃料电池气体扩散层及燃料电池电极和膜电极的制备方法

技术领域

[0001] 本发明是关于一种燃料电池气体扩散层的制备方法及包括由该方法制得的气体扩散层的电极和膜电极的制备方法。

背景技术

[0002] 燃料电池是一种通过燃料与氧气或空气等氧化性气体发生电化学反应而产生电能的装置，这种电池具有能量转换效率高、结构简单、噪音低、燃料来源丰富、无环境污染等优点，因而具有广泛的应用前景，是未来的理想电源之一。燃料电池可用于小型便携式电源、家庭小型电站、电动汽车、潜艇等的动力电源。

[0003] 在燃料电池中，作为燃料电池核心部件的膜电极包括质子交换膜和位于质子交换膜两侧的电极。电极是一种气体扩散电极，包括气体扩散层和负载在气体扩散层上的催化层，气体扩散层包括支撑材料和负载在支撑材料上的扩散层，支撑材料一般为导电的炭纤维、碳布、碳纸和各种多孔金属网，扩散层一般含有石墨导电剂和选择性含有的疏水剂，疏水剂一般可以是聚四氟乙烯、六氟丙烯、聚偏氟乙烯。催化层的催化剂一般为铂粉末、含铂的合金粉末、负载在载体上的铂或负载在载体上的含铂的合金粉末。所述含铂的合金含有铂和选自钌、锡、铱、锇、铼中的一种或几种。所述载体为具有较高的比表面且导电的载体，如活性炭。质子交换膜是一种透水不透气的半透膜，它具有质子传导作用，还可以防止氧化剂和燃料发生混合爆炸。

[0004] 气体扩散层的气体扩散性(即扩散层的孔隙率)对燃料电池的电化学性能有重要的影响，因此燃料电池对气体扩散层的气体扩散性有较高的要求。同时，为了满足燃料电池商品化的要求，膜电极的制作工艺要简单，而且由此膜电极组装的电池性能良好。

[0005] 为了尽量满足上述两个要求，近几年来对气体扩散层的制备工艺进行了广泛深入的研究。目前比较成熟的气体扩散层的制备方法包括先用聚四氟乙烯乳液反复浸泡碳纸并吹干，然后将炭黑、聚四氟乙烯和溶剂形成的浆料涂覆于碳纸上，经烘烤后制得气体扩散层。将气体扩散层与催化层结合即制得燃料电池电极，将该燃料电池电极与质子交换膜热压形成膜电极。

[0006] 上述气体扩散层的制备方法比较容易操作，但是由上述方法制得的扩散层不能保证表面平整，尤其是烘干后表面凹凸不平，使得气体扩散层与催化层结合后导致催化剂的利用率下降，同时也使得催化层和质子交换膜界面之间接触不良，影响膜电极性能；此外，采用涂覆的方法容易引起炭材料堵塞碳纸上的气孔的问题，导致气体扩散层的气体扩散性能不良。

[0007] 为了提高燃料电池工作时的气体扩散效率，需要采取各种方法提高燃料电池气体扩散层的孔隙率，以利于气体扩散。此外，气体扩散层的孔不能太大，必须是微小的细孔，才能保证催化层中的催化剂不会通过碳纸进入碳纸的另一侧，影响催化效果。

[0008] CN1658422A公开了一种燃料电池气体扩散层的制备方法，该方法包括：(1)多孔基材的预处理：将多孔的基材放置在10-25重量％浓度的疏水剂中5-10分钟，然后取出在空气中晾干10-20分钟，再放置在340-360℃炉子中加热10-30分钟；(2)微孔层料浆的制备：a)称取碳黑与沸点为80-120℃的溶剂以1∶10-50的重量比混合搅拌30-120分钟；b)然后以重量比碳黑∶疏水剂1∶0.01-1加入疏水剂，搅拌5-60分钟；(3)混合液的制备：将微孔层料浆均匀分成2-10份，以重量比碳黑∶成孔剂＝1∶0.5-8加入成孔剂，成孔剂的加入量依次梯度递减，形成2-10种混合溶液，每种混合液继续搅拌60-120分钟，取出超声10-30分钟后备用；然后采用涂布法、喷漆法、滚压法、喷漆法、印刷法或涂布法通过2-10次复合将2-10种混合液复合在预处理后的多孔基材上，复合顺序按混合液中成孔剂的含量依次递减的顺序进行复合，第一次复合成孔剂含量最高的混合液，最后放入340-360℃的炉中烧结10-30分钟得到气体扩散层。将该气体扩散层和膜电极三合一(EMAS)组合在一起，形成膜电极(MEA)。所述膜电极三合一为两个表面均具有催化层的质子交换膜。

[0009] 这种制备燃料电池气体扩散层的方法过程复杂、涂覆的步骤太多、扩散层的孔隙率得不到很好的保证，不利于膜电极的批量化和产业化。而且，组装膜电极所需要的膜电极三合一(EMAS)在制备时质子交换膜容易收缩，从而使得膜起皱，对制备的膜电极性能非常不利，使得燃料电池的电流密度低。

发明内容

[0010] 本发明的一个目的是为了克服现有技术制得的燃料电池气体扩散层气体扩散性能差导致燃料电池的电流密度低的缺点，提供一种气体扩散性能好能够使得燃料电池电流密度高的燃料电池气体扩散层的制备方法。

[0011] 本发明的另一个目的提供一种包括上述气体扩散层的燃料电池电极的制备方法。

[0012] 本发明的第三个目的是提供一种包括上述气体扩散层的燃料电池膜电极的制备方法。

[0013] 本发明提供的燃料电池气体扩散层的制备方法包括将含有导电剂和疏水剂的浆料均匀分布到支撑材料上，然后烧结含有导电剂和疏水剂的支撑材料，其特征在于，将含有导电剂和疏水剂的浆料均匀分布到支撑材料上的方法包括在支撑材料的第一表面和第二表面形成压力差，第二表面的压力大于第一表面的压力，将含有导电剂和疏水剂的浆料与支撑材料的第二表面接触，第一表面和第二表面分别为支撑材料相对的两个表面。

[0014] 本发明提供的燃料电池电极的制备方法包括在气体扩散层上负载催化层，其中，所述气体扩散层采用采用本发明提供的方法制备。

[0015] 本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法包括将两个燃料电池电极分别与质子交换膜的两个表面结合，其中，所述燃料电池电极采用本发明提供的方法制备。

[0016] 本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法包括将两个气体扩散层分别与表面具有催化层的质子交换膜的两个表面结合，其中，所述气体扩散层采用本发明提供的方法制备。

[0017] 本发明提供的方法操作步骤少、过程简单，得到的扩散层几乎百分之百地保持支撑材料本身的孔隙率，因而只需选择合适的支撑材料，即可制得具有相应孔隙率和气体扩散性的气体扩散层，使得燃料电池的电流密度比同类电池提高近43％。此外，本发明的制备方法不需要额外使用开孔剂即可保证气体扩散层的孔隙率和气体扩散性，一方面可以节约成本，另一方面还能避免由开孔剂带来的对电池的不利影响。

附图说明

[0018] 图1为本发明中抽滤装置的主视图；

[0019] 图2为图1中抽滤装置沿A-A方向的剖面图；

[0020] 图3为图1中抽滤装置的立体效果图；

[0021] 图4为本发明实施例1、2和比较例1制得的燃料电池的电池性能图。

具体实施方式

[0022] 根据本发明，所述形成压力差的方法可以为从支撑材料的第一表面一侧抽滤。所述抽滤的具体操作可以采用类似于用漏斗抽滤固液混合物的方法，包括将支撑材料放入抽滤装置中，使支撑材料的第一表面与抽滤装置接触，然后将含有导电剂和疏水剂的浆料倒入支撑材料的第二表面上，然后从支撑材料的第一表面一侧进行抽滤，使浆料附着在支撑材料的第二表面上，所述第一表面和第二表面分别为支撑材料相对的两个表面，这样既能保证浆料均匀附着于支撑材料的非孔区，又能保证支撑材料的孔隙区不被堵塞。所述抽滤的压力只要保证支撑材料不会发生明显的浆料泄漏即可，对于常规的气体扩散层支撑材料，优选所述压力差为0.01-0.1兆帕，更优选为0.01-0.09兆帕，抽滤的时间使浆料薄层不被抽裂。更优选在开始时先用较小的压力抽滤，然后再在较大的恒定压力下抽滤。

[0023] 所述抽滤装置可以是具有类似于布氏漏斗结构的各种装置，即具有侧沿且底部均匀分布有小孔的装置，例如可以是图1-3所示的抽滤装置。所述抽滤装置的孔隙率大于支撑材料的孔隙率，优选为200-1000孔/平方厘米，孔的大小优选为0.001-0.005平方厘米。

[0024] 所述浆料的倾入量根据所需的气体扩散层厚度来决定，优选情况下，所述浆料的倾入量使导电剂和疏水剂在支撑材料上形成厚度为50-200微米的薄层。优选情况下，所述浆料中导电剂与疏水剂的重量比为1-100∶1，优选为1-10∶1，更优选为1-8∶1，进一步优选为1.5-6∶1。

[0025] 优选情况下，本发明提供的气体扩散层的制备方法还包括在形成压力差之前，先将部分浆料均匀地预分布在支撑材料上，得到具有浆料薄膜的支撑材料。对所述薄膜的厚度没有特别的限定，优选薄膜能够完全覆盖支撑材料的第二表面。预分布的浆料不进行抽滤，这样形成的薄膜不但覆盖支撑材料的非孔区，同时也覆盖支撑材料的孔隙区，浆料与在这样的薄膜表面接触可以进一步防止后浆料从支撑材料的孔隙中流出而造成浆料损失。更优选情况下，该方法还包括对具有浆料薄膜的支撑材料进行预烧结，烧结的温度为340-400℃，烧结的时间为20-90分钟。烧结完毕冷却后再倾入形成浆料层所需的剩余的浆料。

[0026] 更优选情况下，该方法还包括在将含有导电剂和疏水剂的浆料与支撑材料的第二表面接触之前，先将支撑材料疏水剂溶液或乳液中浸泡。所述疏水剂溶液或乳液的浓度为5-30重量％，浸泡的时间为10-70分钟。所述浸泡的方式优选为浸泡2-7次，每次5-10分钟，每次浸泡前先晾干。晾干有助于使疏水剂充分进入支撑材料中，从而提高气体扩散层的疏水性。更优选情况下，在完成上述多次浸泡后，还将支撑材料在310-380℃温度下烧结
10-70分钟。

[0027] 更进一步地，本发明提供的方法优选还包括在将含有导电剂和疏水剂的浆料与支撑材料的第二表面接触之前，对支撑材料进行预烧结，烧结的温度优选为300-500℃，更优选为340-400℃，烧结的时间优选为10-120分钟，更优选为20-90分钟。通过烧结可以去除吸附在支撑材料中的杂质，从而避免由支撑材料中的杂质造成的对电池性能的影响。更优选此处所述预烧结在上述选择性包括的浆料预分布、疏水剂溶液或乳液浸泡以前进行。

[0028] 根据本发明，所述疏水剂可以是燃料电池领域常规使用的各种疏水剂，例如可以是聚四氟乙烯、聚六氟丙烯、聚偏氟乙烯中的一种或几种。所述支撑材料可以为孔隙率为100-500孔/平方厘米的碳纸、碳布、多孔金属网，所述导电剂优选为碳黑或导电乙炔黑。
所述形成浆料和疏水剂溶液或乳液的溶剂可以相同或不相同，例如可以分别独立地选自乙醇、异丙醇、乙二醇、水中的一种或几种。

[0029] 所述对含有导电剂和疏水剂的支撑材料的烧结包括将第二表面形成有浆料薄层的支撑材料在300-400℃下加热5-100分钟，更优选在310-380℃下加热10-70分钟。

[0030] 根据本发明提供的燃料电池电极的制备方法，其中催化层可以采用燃料电池领域常规使用的各种催化层，可以通过将催化剂、溶剂、Nafion溶液配制成浆料然后负载在气体扩散层上得到。所述负载的方法可以是喷漆法、丝网印刷法、涂布法、滚压法、印刷法、浇铸法。所述催化剂、溶剂和Nafion溶液的重量比优选为(1-20)∶(5-50)∶(1-10)。所述催化剂可以是为燃料电池常用的各种催化剂如铂粉末、含铂的合金粉末、负载在载体上的铂或负载在载体上的含铂的合金粉末或阴极催化剂如铂粉末或负载在载体上的铂粉末。所述含铂的合金含有铂和选自钌、锡、铱、锇、铼中的一种或几种。所述载体为具有较高的比表面且导电的载体如活性炭。所述溶剂可以是异丙醇和/或丙三醇。

[0031] 根据本发明提供的燃料电池膜电极的制备方法，所述将两个燃料电池电极分别与质子交换膜的两个表面结合的方法包括两个燃料电池电极的催化层分别与质子交换膜的两个表面叠合后进行热压，形成一体化膜电极结构，热压的条件优选包括温度为110-150℃，压力为0.5-5兆帕、热压时间为1-4分钟。其中，所述质子交换膜可以是燃料电池领域常规使用的各种质子交换膜如Nafion112、Nafion115、Nafion117或Nafion1035质子交换膜。

[0032] 根据本发明提供的另一种膜电极的制备方法，所述将两个气体扩散层分别与表面具有催化层的质子交换膜的两个表面结合的方法可以包括将两个气体扩散层分别与质子交换膜的两个具有催化层的表面叠合后再进行热压，形成一体化膜电极结构，热压的条件优选包括温度为110-150℃，压力为0.5-5兆帕、热压时间为1-4分钟。所述表面具有催化层的质子交换膜也即通常所述的膜电极三合一(EMAS)，可以商购得到。

[0033] 下面的实施例将对本发明作进一步的说明。

[0034] 实施例1

[0035] 本实施例用于说明本发明提供的气体扩散层的制备方法和含有该气体扩散层的燃料电池电极的制备方法和燃料电池膜电极的制备方法。

[0036] 气体扩散层的制备：将燃料电池用碳纸(TORAY090，日本东丽公司生产)在340℃烧结90分钟，以去除吸附在碳纸中的杂质。配制15重量％浓度的聚四氟乙烯乳液，然后再将烧结后的碳纸放入其中浸泡4次，每次浸泡9分钟后取出晾干后再进行下一次浸泡，浸泡4次后再在350℃炉中保温50分钟，然后冷却至室温。将VXC-72碳黑与聚四氟乙烯加入水中混合成均匀的浆料，浆料中聚四氟乙烯的含量为10重量％、VXC-72碳黑的重量为40重量％，余量为水。在碳纸的第二表面上先涂布一层薄的浆料，晾干后形成具有浆料薄膜的碳纸，将该碳纸放置在图1所示的抽滤装置上，其中不具有浆料薄膜的碳纸的第一表面与抽滤装置接触，碳纸的大小与抽滤装置的大小一致，抽滤装置的下部通过橡胶塞与抽滤瓶连接，抽滤瓶嘴与循环水泵连接，然后将浆料倒在碳纸上，同时开启水泵慢慢进行抽滤，抽滤瓶内的压力为0.98兆帕，浆料在抽滤的过程中附着在碳纸上，抽干后形成厚度为100微米且具有很多微孔的薄层。然后将具有薄层的碳纸放到370℃炉中保温20分钟，待冷却后取出，即得燃料电池用气体扩散层。

[0037] 燃料电池电极的制备：将Pt/C催化剂(Pt含量为5重量％)∶异丙醇∶Nafion溶液以重量比1∶5∶1混合搅拌均匀，制成浆料。然后将浆料通过喷涂法涂覆在上述制得的气体扩散层上，在空气中晾干后再放置于80℃的真空干燥箱中烘50分钟，去除溶剂，冷却后取出。燃料电池电极中Pt的含量为1毫克/平方厘米。

[0038] 燃料电池膜电极的制备：将两个上述制得的燃料电池电极与同样大小的质子交换膜Nafion112的两侧对齐，在温度为110℃、压力为4兆帕下热压2分钟，形成一体化膜电极。

[0039] 实施例2

[0040] 本实施例用于说明本发明提供的气体扩散层的制备方法和含有该气体扩散层的燃料电池电极的制备方法和燃料电池膜电极的制备方法。

[0041] 按照实施例1的方法制备燃料电池气体扩散层，不同的是碳纸未经烧结直接使用。

[0042] 实施例3

[0043] 本实施例用于说明本发明提供的气体扩散层的制备方法和含有该气体扩散层的燃料电池电极的制备方法和燃料电池膜电极的制备方法。

[0044] 气体扩散层的制备：将燃料电池用碳布(6K Toray/127，日本东丽公司生产)在360℃烧结70分钟，以去除吸附在碳布中的杂质。配制15重量％浓度的聚四氟乙烯乳液，然后再将烧结后的碳纸放入其中浸泡3次，每次浸泡10分钟后取出晾干后再进行下一次浸泡，浸泡3次后再在320℃炉中保温60分钟，然后冷却至室温。将导电乙炔黑与聚四氟乙烯加入异丙醇溶剂中混合成均匀的浆料，浆料中聚四氟乙烯的含量为10重量％、导电乙炔黑的重量为50重量％，余量为异丙醇。在碳纸的第二表面上先涂布一层薄的浆料，晾干后形成具有浆料薄膜的碳纸，将该碳纸放置在图1所示的抽滤装置上，其中不具有浆料薄膜的碳纸的第一表面与抽滤装置接触，碳纸的大小与抽滤装置的大小一致，抽滤装置的下部通过橡胶塞与抽滤瓶连接，抽滤瓶嘴与循环水泵连接，然后将浆料倒在碳布上，同时开启水泵进行抽滤，抽滤瓶内的压力为0.95兆帕，浆料在抽滤的过程中附着在碳布上，抽干溶剂后形成厚度为200微米且具有很多微孔的薄层。然后将具有薄层的碳纸放到370℃炉中保温
20分钟，待冷却后取出，即得燃料电池阴极用气体扩散层。

[0045] 燃料电池电极的制备：将Pt/C催化剂(Pt含量为20重量％)∶异丙醇∶Nafion溶液以重量比1∶7∶1混合搅拌均匀，制成浆料。然后将浆料通过喷涂法涂覆在上述制得的气体扩散层上，在空气中晾干后再放置于80℃的真空干燥箱中烘50分钟，去除溶剂，冷却后取出。燃料电池电极中Pt的含量为1毫克/平方厘米。

[0046] 燃料电池膜电极的制备：将两个上述制得的燃料电池电极与质子交换膜Nafion112的两侧对齐，在110℃温度下，在4兆帕压力下，热压2分钟，形成一体化膜电极。

[0047] 实施例4

[0048] 本实施例用于说明本发明提供的气体扩散层的制备方法和含有该气体扩散层的阴极制备方法和膜电极制备方法。

[0049] 气体扩散层的制备：将燃料电池用碳布(6K Toray/127，日本东丽公司生产)在370℃烧结30分钟，以去除吸附在碳布中的杂质。将VXC-72碳黑与聚四氟乙烯加入水中混合成均匀的浆料，浆料中聚四氟乙烯的含量为20重量％、VXC-72碳黑的重量为60重量％，余量为水。在碳布的第二表面上先涂布一层薄的浆料，晾干后形成具有浆料薄膜的碳布，将该碳布放置在图1所示的抽滤装置上，其中不具有浆料薄膜的碳布的第一表面与抽滤装置接触，碳布的大小与抽滤装置的大小一致，抽滤装置的下部通过橡胶塞与抽滤瓶连接，抽滤瓶嘴与循环水泵连接，然后将浆料倒在碳布上，同时开启水泵慢慢进行抽滤，抽滤瓶内的压力为0.98兆帕，浆料在抽滤的过程中附着在碳布上，抽干溶剂后形成厚度为100微米且具有很多微孔的薄层。然后将具有薄层的碳布放到350℃炉中保温60分钟，待冷却后取出，即得燃料电池用气体扩散层。

[0050] 燃料电池电极的制备：将Pt/C催化剂(Pt含量为40重量％)∶异丙醇∶Nafion以重量比17∶50∶10混合搅拌均匀，制成浆料。然后将浆料通过喷涂法涂覆在上述制得的气体扩散层上，在空气中晾干后再放置于130℃的烘箱中烘10分钟，去除溶剂，冷却后取出。燃料电池电极中Pt的含量为1毫克/平方厘米。

[0051] 燃料电池膜电极的制备：将上述制得的两个电极与质子交换膜Nafion115的两侧对齐，在130℃温度下，在2兆帕压力下，热压2分钟，形成一体化膜电极。

[0052] 实施例5

[0053] 本实施例用于说明本发明提供的气体扩散层的制备方法和含有该气体扩散层的阴极制备方法和膜电极制备方法。

[0054] 气体扩散层的制备：将燃料电池用碳布(6K Toray/127，日本东丽公司生产)在360℃烧结60分钟，以去除吸附在碳布中的杂质。配制30重量％浓度的聚偏氟乙烯乳液，然后再将烧结后的碳布放入其中浸泡2次，每次浸泡5分钟，然后取出晾干。将导电乙炔碳黑与聚六氟丙烯加入乙二醇溶剂中混合成均匀的浆料，浆料中聚六氟丙烯的含量为20重量％、导电乙炔炭黑的重量为35重量％，余量为乙二醇。在碳布的第二表面上先涂布一层薄的浆料，晾干后形成具有浆料薄膜的碳布，将该碳布放置在图1所示的抽滤装置上，其中不具有浆料薄膜的碳布的第一表面与抽滤装置接触，碳布的大小与抽滤装置的大小一致，抽滤装置的下部通过橡胶塞与抽滤瓶连接，抽滤瓶嘴与循环水泵连接，然后将浆料倒在碳布上，同时开启水泵进行抽滤，抽滤瓶内的压力为0.09兆帕，浆料在抽滤的过程中附着在碳布上，抽干溶剂后形成厚度为110微米且具有很多微孔的薄层。然后将具有薄层的碳布放到350℃炉中保温60分钟，待冷却后取出，即得燃料电池阴极用气体扩散层。

[0055] 燃料电池膜电极的制备：将上述制得的两个气体扩散层与两个表面均具有催化层的质子交换膜Nafion117(也即商品型号为GEFC-MEA4的膜电极三合一)的两侧对齐，在120℃温度下，在5兆帕压力下，热压1分钟，形成一体化膜电极。质子交换膜中Pt的含量为1毫克/平方厘米。

[0056] 实施例6

[0057] 本实施例用于说明本发明提供的气体扩散层的制备方法和含有该气体扩散层的阴极制备方法和膜电极制备方法。

[0058] 气体扩散层的制备：将燃料电池用碳布(6K Toray/127，日本东丽公司生产)在400℃烧结20分钟，以去除吸附在碳布中的杂质。配制10重量％浓度的聚六氟乙烯乳液，然后再将烧结后的碳布放入其中浸泡7次，每次浸泡6分钟，然后取出晾干，并在370℃炉中保温30分钟，然后冷却至室温。将VXC-72碳黑与聚偏氟乙烯加入乙醇溶剂中混合成均匀的浆料，浆料中聚偏氟乙烯的含量为10重量％、VXC-72碳黑的含量为55重量％，余量为溶剂。在碳布的第二表面上先涂布一层薄的浆料，晾干后形成具有浆料薄膜的碳布，将该碳布放置在图1所示的抽滤装置上，其中不具有浆料薄膜的碳布的第一表面与抽滤装置接触，碳布的大小与抽滤装置的大小一致，抽滤装置的下部通过橡胶塞与抽滤瓶连接，抽滤瓶嘴与循环水泵连接，然后将浆料倒在碳布上，同时开启水泵进行抽滤，水泵的压力为0.02兆帕，浆料在抽滤的过程中附着在碳布上，抽干溶剂后形成厚度为120微米且具有很多微孔的薄层。然后将具有薄层的碳布放到310℃炉中保温70分钟，待冷却后取出，即得燃料电池阴极用气体扩散层。

[0059] 燃料电池电极的制备：将Pt/C催化剂(Pt含量为20重量％)∶异丙醇+丙三醇(体积比1∶1)∶Nafion以重量比20∶49∶8混合搅拌均匀，制成浆料。然后将浆料通过喷涂法涂覆在上述制得的气体扩散层上，在空气中晾干后再放置于120℃的烘箱中烘30分钟，以便去除溶剂，冷却后取出。燃料电池电极中Pt的含量为1毫克/平方厘米。

[0060] 燃料电池膜电极的制备：将上述制得的两个电极与质子交换膜Nafion1035的两侧对齐，在150℃温度下，在0.5兆帕压力下，热压3分钟，形成一体化膜电极。

[0061] 比较例1

[0062] 按照CN 1658422A中实施例1的方法制备燃料电池气体扩散层、包括该扩散层的燃料电池电极和燃料电池膜电极。

[0063] 电池性能测试

[0064] 将上述实施例1-6和比较例1制得的电池用燃料电池测试系统(Fc Lab)进行测试，测试的条件为：测试温度60℃、氢气增湿温度70℃，氢气和空气均为常压，蛇状气体流场，催化活性面积为25平方厘米。各电池在0.6伏时的电流密度如下表1所示，其中由实施例1、2和比较例1制得的电池的电池性能图如图4所示，横坐标为电压(伏)、纵坐标为电流密度(毫安/平方厘米)。

[0065] 表1

[0066]电池来源 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 比较例1电流密度 600 530 510 480 465 490 420
(毫安/平方厘米)

[0067] 从表1和图4的结果可以看出，由于采用本发明提供的膜电极，因而本发明提供的燃料电池的电流密度比比较例1制得的现有技术的电池的电流密度高10.7-42.9％。实施例2由于使用未经预烧结的碳纸，使得碳纸中所含的杂质影响了电池的电流密度，因此比其它条件相同的实施例1的电池的电流密度低。