CN110048127A - 燃料电池气体扩散层、燃料电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池气体扩散层、燃料电池及燃料电池气体扩散层的制备方法，该气体扩散层包括：导电多孔基材层，包括碳纤维基材子层、抗压强度子层以及均匀分布的导电粒子，所述抗压强度子层和所述导电粒子覆盖在所述碳纤维基材子层的表面；疏水层，至少形成在所述导电多孔基材层的表面；微孔层，包括形成在所述疏水层一侧、均匀分布的多孔材料，所述微孔层具有疏水性。通过这种方式，本发明能够提高气体扩散层的机械强度，气体扩散性能优异，能够有效排水，且为调整体电阻提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池气体扩散层、燃料电池及燃料电池气体扩散层的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange Membrane Fuel Cell)是燃料电池的一种，其因为无噪音、零污染、无腐蚀、功率密度高、转换效率高、低温启动、体积小等优点，被认为是首先电源。
质子交换膜燃料电池的关键部件包括质子交换膜、催化层、气体扩散层及双极板(正极板和负极板)。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。理想的气体扩散层应满足三个条件：良好的排水性、良好的透气性和良好的导电性。气体扩散层通常由基底层和微孔层组成。基底层通常使用多孔的碳纤维纸、碳纤维布等，它主要起支撑微孔层和催化层的作用。微孔层通常是为了改善基底层的孔隙结构而在其表面制作的一层，其主要作用是降低催化层和基底层之间的接触电阻，使气体和水发生再分配，防止电极催化层″水淹″，同时防止催化层在制备过程中渗漏到基底层。
但是，本申请的发明人在长期的研发过程中发现，传统的气体扩散层强度低，易断裂，且体电阻高、气体扩散性能和排水性能差。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种燃料电池气体扩散层、燃料电池及燃料电池气体扩散层的制备方法，能够提高气体扩散层的机械强度，气体扩散性能优异，能够有效排水，且为调整体电阻提供技术支持。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层包括：导电多孔基材层，包括碳纤维基材子层、抗压强度子层以及均匀分布的导电粒子，所述抗压强度子层和所述导电粒子覆盖在所述碳纤维基材子层的表面；疏水层，至少形成在所述导电多孔基材层的表面；微孔层，包括形成在所述疏水层一侧、均匀分布的多孔材料，所述微孔层具有疏水性。
其中，所述抗压强度子层覆盖在所述碳纤维基材子层的表面；所述导电粒子均匀分布在所述抗压强度子层；所述气体扩散层的厚度是80-250μm；所述气体扩散层的拉伸强度是7-20MPa；所述气体扩散层的体电阻是3-10mΩ·cm2；所述气体扩散层的孔隙率是40％以上；所述气体扩散层的接触角是120-170°；碳纤维基材的厚度是250μm以下；所述微孔层的厚度是10-100μm；所述气体扩散层的面积重量是45-80g/m2；所述碳纤维基材包括碳纤维纸、碳纤维布、碳纤维毡中的一种；所述导电粒子包括碳粉末、碳黑粉末、乙炔黑粉末、科琴黑粉末、SUPER P粉末、碳纳米管粉末、石墨烯粉末中的至少一种；所述多孔材料是导电的多孔材料；所述多孔材料包括碳黑、乙炔黑、科琴黑、SUPER P、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
其中，所述导电多孔基材层是将第一混合物浆料涂覆在所述碳纤维基材而形成，所述第一混合物浆料包括所述导电粒子、增稠剂以及粘结剂；所述疏水层是利用疏水剂浸渍所述导电多孔基材层而形成；所述微孔层是将第二混合物浆料涂覆在所述疏水层一侧而形成，所述第二混合物浆料包括所述多孔材料、所述增稠剂以及所述疏水剂。
其中，所述增稠剂包括甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的至少一种；所述粘结剂包括环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、含乙烯聚合物的热熔粘结剂中的至少一种；所述疏水剂包括聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚硅氮烷树脂中的至少一种；所述第一混合物浆料和所述第二混合物浆料的固含量均是5-25％；浸渍的疏水剂的固含量是1-20％。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种燃料电池，所述燃料电池包括如上任一项所述的气体扩散层。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种燃料电池气体扩散层的制备方法，所述方法包括：提供碳纤维基材作为碳纤维基材子层；在所述碳纤维基材子层的表面形成抗压强度子层和均匀分布的导电粒子，以获得导电多孔基材层；至少在所述导电多孔基材层的表面形成疏水层；在所述疏水层一侧形成均匀分布有多孔材料、具有疏水性的微孔层。
其中，所述抗压强度子层覆盖在所述碳纤维基材子层的表面；所述导电粒子均匀分布在所述抗压强度子层；所述气体扩散层的厚度是80-250μm；所述气体扩散层的拉伸强度是7-20MPa；所述气体扩散层的体电阻是3-10mΩ·cm2；所述气体扩散层的孔隙率是40％以上；所述气体扩散层的接触角是120-170°；碳纤维基材的厚度是250μm以下；所述微孔层的厚度是10-100μm；所述气体扩散层的面积重量是45-80g/m2；所述碳纤维基材包括碳纤维纸、碳纤维布、碳纤维毡中的一种；所述导电粒子包括碳粉末、碳黑粉末、乙炔黑粉末、科琴黑粉末、SUPER P粉末、碳纳米管粉末、石墨烯粉末中的至少一种；所述多孔材料是导电的多孔材料；所述多孔材料包括碳黑、乙炔黑、科琴黑、SUPER P、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
其中，所述在所述碳纤维基材子层的表面形成抗压强度子层和均匀分布的导电粒子，以获得导电多孔基材层，包括：将第一混合物浆料涂覆在所述碳纤维基材子层的表面而在所述碳纤维基材子层的表面形成均匀分布有所述导电粒子的抗压强度子层，所述第一混合物浆料包括所述导电粒子、增稠剂以及粘结剂；其中，将所述第一混合物浆料涂覆在所述碳纤维基材子层的表面并经第一处理而在所述碳纤维基材子层的表面形成均匀分布有所述导电粒子的抗压强度子层；所述第一处理是热处理；所述至少在所述导电多孔基材层的表面形成疏水层，包括：利用疏水剂浸渍所述导电多孔基材层而形成所述疏水层；其中，利用疏水剂浸渍所述导电多孔基材层并经第二处理而形成所述疏水层；所述第二处理是热处理；所述在所述疏水层一侧形成均匀分布有多孔材料、具有疏水性的微孔层，包括：将第二混合物浆料涂覆在所述疏水层一侧而在所述疏水层一侧形成均匀分布有多孔材料、具有疏水性的微孔层，所述第二混合物浆料包括所述多孔材料、所述增稠剂以及所述疏水剂；其中，将所述第二混合物浆料涂覆在所述疏水层一侧并经第三处理而在所述疏水层一侧形成均匀分布有多孔材料、具有疏水性的微孔层；所述第三处理是热处理；所述第一处理是烧结处理和碳化处理；所述第二处理和所述第三处理均是干燥处理和烧结处理；烧结温度是200-400℃；碳化温度是1000℃以上；所述烧结处理的气氛是空气；所述碳化处理的气氛是保护气；所述保护气是氮气、氩气、氦气中的一种。
其中，所述增稠剂包括甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的至少一种；所述粘结剂包括环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、含乙烯聚合物的热熔粘结剂中的至少一种；所述疏水剂包括聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚硅氮烷树脂中的至少一种；所述第一混合物浆料和所述第二混合物浆料的固含量均是5-25％；浸渍的疏水剂的固含量是1-20％。
其中，所述将所述第一混合物浆料涂覆在所述碳纤维基材子层的表面并经第一处理，包括：由放卷和收卷输送的所述碳纤维基材子层的单面或双面同时涂覆所述第一混合物浆料后，水平依次输送进烧结炉和碳化炉，以涂覆面不接触输送辊、烧结炉和碳化炉的方式收卷；所述利用疏水剂浸渍所述导电多孔基材层并经第二处理，包括：由放卷和收卷输送的所述导电多孔质基材浸渍疏水剂，浸渍后通过挤水辊依次输送进干燥炉和烧结炉，以材料表面不接触干燥炉和烧结炉的方式收卷；所述将第二混合物浆料涂覆在所述疏水层一侧并经第三处理，包括：由放卷和收卷输送的所述疏水层一侧涂覆所述第二混合物浆料后，依次输送进干燥炉和烧结炉，以涂覆面不接触输送辊、干燥炉和烧结炉的方式收卷。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明燃料电池气体扩散层包括导电多孔基材层，包括碳纤维基材子层、抗压强度子层以及均匀分布的导电粒子，抗压强度子层和导电粒子覆盖在碳纤维基材子层的表面；疏水层，至少形成在导电多孔基材层的表面；微孔层，包括形成在疏水层一侧、均匀分布的多孔材料，微孔层具有疏水性。由于在传统的碳纤维基材子层的基础上增加提高机械强度的抗压强度子层，能够增加基材层的机械强度，提高拉伸强度；将导电粒子加入到基材层，将多孔材料加入到微孔层根据实际应用中对导电性的具体要求，可以通过选择导电的多孔材料来调节气体扩散层的电阻以满足对导电性的具体要求，能够为调节气体扩散层的体电阻提供技术支持；增加疏水层，同时进一步使微孔层具有疏水性，这能够使气体扩散层具有优良的排水性能；碳纤维基材和多孔材料相匹配，能够使气体扩散层的气体扩散性能优异。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本发明燃料电池气体扩散层一实施例的结构示意图；
图2是本发明燃料电池一实施例的结构示意图；
图3是本发明燃料电池气体扩散层的制备方法一实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在详细介绍本发明之前，先了解一下与本发明相关的现有技术情况。
质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的″逆″装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过，而H2失去的电子则从导线通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。
质子交换膜燃料电池的关键部件包括质子交换膜、催化层、气体扩散层及双极板(正极板和负极板)。气体扩散层由导电的多孔材料组成，起到支撑催化层(需要具备一定的机械强度)、收集电流(电阻要小)、传导气体(气体扩散性能要优良)和排出水(排水性能要好)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。理想的气体扩散层应满足3个条件：良好的排水性、良好的透气性和良好的导电性。
气体扩散层通常由基底层和微孔层组成。基底层通常使用多孔的碳纤维纸、碳纤维布，它主要起支撑微孔层和催化层的作用，微孔层通常是为了改善基底层的孔隙结构而在其表面制作的一层，其主要作用是降低催化层和基底层之间的接触电阻，使气体和水发生再分配，防止电极催化层″水淹″，同时防止催化层在制备过程中渗漏到基底层。
而碳纤维纸、碳纤维布等是脆性材料，在装配压力、外界振动和反复拆装等情况下容易导致纤维断裂、基体开裂、纤维与基体界面剥落等，影响电池寿命；同时碳纤维纸研制水平较高并批量供货的主要是少数几家外国公司，价格贵且受制于人。为了克服碳纤维纸、碳纤维布等为基材带来的成本高、易断裂等问题，金属网用作气体扩散层基底材料的研究也有见报道，但其采用光滑金属丝制作金属网使得基底层与微孔层的接触性较差，气体扩散层的电阻过高，且金属容易腐蚀，成本也较高。
本发明的燃料电池气体扩散层由于在传统的碳纤维基材子层的基础上增加提高机械强度的抗压强度子层，能够增加基材层的机械强度，提高拉伸强度；将导电粒子加入到基材层，将多孔材料加入到微孔层，根据实际应用中对导电性的具体要求，可以通过选择导电的多孔材料来调节气体扩散层的电阻以满足对导电性的具体要求，能够为调节气体扩散层的体电阻提供技术支持；增加疏水层，同时进一步使微孔层具有疏水性，这能够使气体扩散层具有优良的排水性能；碳纤维基材和多孔材料相匹配，能够使气体扩散层的气体扩散性能优异。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1，图1是本发明燃料电池气体扩散层一实施例的结构示意图，该气体扩散层包括：导电多孔基材层1、疏水层2以及微孔层3。
导电多孔基材层1包括碳纤维基材子层11、抗压强度子层12以及均匀分布的导电粒子13，抗压强度子层12和导电粒子13覆盖在碳纤维基材子层11的表面(可以是一个表面，也可以是相对的两个表面)。例如，抗压强度子层12和导电粒子13分别独立，抗压强度子层12覆盖在碳纤维基材子层11的表面；或者，抗压强度子层12和导电粒子13分别独立，导电粒子13覆盖在碳纤维基材子层11的表面；或者抗压强度子层12和导电粒子13混合在一起，即导电粒子13均匀分布在抗压强度子层12，一起覆盖在碳纤维基材子层11的表面(如图1所示)，等等。
碳纤维基材包括但不限于碳纤维纸、碳纤维布、碳纤维毡中的一种。抗压强度子层12可以是具有一定强度、且能结合在碳纤维基材子层11的材料。导电粒子13包括但不限于碳粉末、碳黑粉末、乙炔黑粉末、科琴黑粉末、SUPER P粉末、碳纳米管粉末、石墨烯粉末中的至少一种；在一实施例中，导电粒子13为比较经济的碳粉末。
疏水层2至少形成在导电多孔基材层1的表面。在实际应用中，疏水层2可以是具有疏水材质的薄膜，例如采用聚四氟乙烯材质的薄膜。疏水层2的设置方式根据实际应用选择，例如：在导电多孔基材层1的表面单独设置具有疏水材质的薄膜，通过这种方式，一方面可以起到排水的作用，另一方面还可以起到增强气体扩散层的强度的作用；或者，将导电多孔基材层1进行疏水处理，形成疏水层2，疏水处理方式可以是将导电多孔基材层1浸渍在包括疏水剂的混合物中，这种实现方式使疏水层2和导电多孔基材层1复合在一起，导电多孔基材层1的内部空间和外部空间表面均形成疏水层2，或者直接将包括疏水剂的混合物喷射在导电多孔基材层1上，根据喷射程度可以形成不同的疏水层2。
微孔层3包括形成在疏水层2一侧、均匀分布的多孔材料，微孔层3具有疏水性。
多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，根据孔直径的大小可以分为微孔材料、介孔材料、大孔材料，在实际应用中，根据气体扩散性的具体要求，选择满足要求的多孔材料。微孔层3具有疏水性能够进一步提高气体扩散层的排水性能。
在一实施例中，为了根据实际应用进一步调整气体扩散层的导电性，多孔材料可以选择导电的多孔材料；进一步，多孔材料包括但不限于碳黑、乙炔黑、科琴黑、SUPER P、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。导电多孔基材层1中的导电粒子13搭配微孔层3中导电的多孔材料，能够进一步调整气体扩散层的导电性，使气体扩散层的导电性满足具体的应用要求。
本发明实施例的燃料电池气体扩散层包括导电多孔基材层1，包括碳纤维基材子层11、抗压强度子层12以及均匀分布的导电粒子13，抗压强度子层12和导电粒子13覆盖在碳纤维基材子层11的表面；疏水层2，至少形成在导电多孔基材层1的表面；微孔层3，包括形成在疏水层2一侧、均匀分布的多孔材料，微孔层2具有疏水性。由于在传统的碳纤维基材子层11的基础上增加提高机械强度的抗压强度子层12，能够增加基材层的机械强度，提高拉伸强度；将导电粒子13加入到基材层，将多孔材料加入到微孔层3，根据实际应用中对导电性的具体要求，可以通过选择导电的多孔材料来调节气体扩散层的电阻以满足对导电性的具体要求，能够为调节气体扩散层的体电阻提供技术支持；增加疏水层2，同时进一步使微孔层3具有疏水性，这能够使气体扩散层具有优良的排水性能；碳纤维基材和多孔材料相匹配，能够使气体扩散层的气体扩散性能优异。
另外，由于气体扩散层性能优越，能够使燃料电池在高功率输出的情况下依然运行；由于导电多孔基材层、疏水层、微孔层接合紧密，不易掉粉，一定压力下难以产生裂缝，所以形成的气体扩散层使用寿命长；由于微孔层包括均匀分布的多孔材料，表面粗糙度小，能跟质子交换膜紧密贴合，减小接触电阻，增强燃料电池性能。
在一实施例中，抗压强度子层12覆盖在碳纤维基材子层11的表面；进一步，导电粒子13均匀分布在抗压强度子层12。在制作导电多孔基材层1时，可以将导电粒子13与形成抗压强度子层12之前的物质混合在一起，然后一起形成在碳纤维基材子层11的表面，通过这种方式，能够为简化制备工艺流程提供技术支持。
其中，气体扩散层的厚度是80-250微米，例如：80微米、160微米、250微米，等等；传统的气体扩散层中基底层的厚度约是100-400微米，有的气体扩散层的厚度达3-5毫米，本发明气体扩散层的厚度是80-250微米，能够大大减小气体扩散层的体积，为减少燃料电池的重量提供技术支持。气体扩散层的拉伸强度是7-20MPa，例如：7MPa、13MPa、20MPa，等等，能够大大提高气体扩散层的机械强度。气体扩散层的体电阻是3-10mΩ·cm2，例如：3mΩ·cm2、6.5mΩ·cm2、10mΩ·cm2，等等，能够满足气体扩散层的导电性要求。气体扩散层的孔隙率是40％以上，例如：40％、55％、70％、80％，等等，能够提供优异的气体扩散性能。气体扩散层的接触角是120-170°，例如：120°、145°、170°，等等。液体在固体材料表面上的接触角θ，是衡量该液体对材料表面润湿性能的重要参数，若θ＜90°，则固体表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，其角越小，表示润湿性越好，若θ＞90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动；本发明的气体扩散层的接触角是120-170°，能够说明气体扩散层的排水性能很好。
在一实施例中，碳纤维基材的厚度是250μm以下，例如：80微米、150微米、200微米，等等。碳纤维基材的面积重量大约17g/m2或更小或更大，根据实际应用进行选择。微孔层的厚度是10-100μm，例如：10μm、55μm、100μm，等等。气体扩散层的面积重量是45-80g/m2，例如：45g/m2、60g/m2、80g/m2等等，能够为减少燃料电池的重量提供技术支持。
在一实施例中，导电多孔基材层1是将第一混合物浆料涂覆在碳纤维基材而形成，第一混合物浆料包括导电粒子13、增稠剂以及粘结剂；导电粒子13的作用是控制气体扩散层导电性，粘结剂用于将同质或异质物体表面粘接连接在一起，在本实施例中，粘结剂还用于提高碳纤维基材的机械强度，为形成抗压强度子层12提供技术支持，而且粘结剂具有应力分布连续、重量轻、密封等特点。增稠剂是一种流变助剂，加入增稠剂后能调节流变性，使粘结剂和导电粒子13增稠，防止导电粒子13沉淀，控制涂覆过程的流变性(涂覆时不流挂、不滴淌、不飞液)，还能起着降低成本的作用。涂覆过程中，能够根据实际需要改变涂覆的浆料的厚度和涂覆速度。
需要说明的是，第一混合物浆料中导电粒子13、增稠剂以及粘结剂各自的量需要根据实际应用中对机械强度的要求、对导电性的要求来确定，在此不做限定。
本实施例将导电粒子13、增稠剂以及粘结剂混合在一起进行涂覆，能够减少气体扩散层的制备工艺流程。当然，在不考虑工艺流程的情况下，也可以将粘结剂单独涂覆(形成抗压强度子层12)，将增稠剂和导电粒子13混合后单独涂覆(形成均匀分布的导电粒子13)；或者，将粘结剂单独涂覆(形成抗压强度子层12)，将粘结剂、增稠剂和导电粒子13混合后单独涂覆(形成抗压强度子层12以及均匀分布的导电粒子)；等等。
疏水层2是利用疏水剂浸渍导电多孔基材层1而形成；疏水剂一种混合体化合物，经科学技术表面改性处理后，分散形成稳定的分散体，浸渍导电多孔基材层1能在导电多孔基材层1的内部空间和外部表面形成一种特殊抗水结构(改变接触角)，使导电多孔基材层1具有极强的疏水、憎水、防水效果，同时不影响导电多孔基材层1的透气性。
微孔层3是将第二混合物浆料涂覆在疏水层2一侧而形成，第二混合物浆料包括多孔材料、增稠剂以及疏水剂。多孔材料的作用是为了改善导电多孔基材层1的孔隙结构，从而改善气体扩散性能；增稠剂能调节流变性，使多孔材料增稠，防止多孔材料沉淀，控制涂覆过程的流变性(涂覆时不流挂、不滴淌、不飞液)，还能起着降低成本的作用。涂覆过程中，能够根据实际需要改变涂覆的浆料的厚度和涂覆速度。疏水剂使微孔层3具有疏水、憎水、防水效果，同时不影响微孔层3的透气性。
需要说明的是，第二混合物浆料中多孔材料、增稠剂以及疏水剂各自的量需要根据实际应用中对孔径结构的要求、对气体扩散性能的要求、对排水性的要求来确定，在此不做限定。
本实施例将多孔材料、增稠剂以及疏水剂混合在一起进行涂覆，能够减少气体扩散层的制备工艺流程。当然，在不考虑工艺流程的情况下，也可以将多孔材料和增稠剂混合后单独涂覆，将疏水剂单独涂覆；等等。
在一实施例中，增稠剂包括但不限于甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的至少一种。
其中，粘结剂包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、含乙烯聚合物的热熔粘结剂中的至少一种。
其中，疏水剂包括但不限于聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚硅氮烷树脂中的至少一种。
在一实施例中，第一混合物浆料和第二混合物浆料的固含量均是5-25％，例如：5％、15％、25％，等等。在一实施例中，浸渍的疏水剂的固含量是1-20％，例如：1％、10％、20％，等等，在浸渍前，调节疏水剂的固含量，能够获得期望的上料率和疏水效果。
参见图2，图2是本发明燃料电池一实施例的结构示意图，该燃料电池包括如上任一项所述的气体扩散层。有关本发明实施例中燃料电池的气体扩散层的详细说明请参见上述气体扩散层的内容，在此不再赘叙。
具体地，在一实施例中，该燃料电池包括膜电极4和依次对称设置在膜电极4两侧的气体扩散层和极板5。气体扩散层包括导电多孔基材层1、疏水层2以及微孔层3。需要说明的是，膜电极4可包括质子交换膜，设置在质子交换膜两侧的催化剂层，也还可以包括设置在质子交换膜两端的衬垫。极板5包括相对设置的正极板5和负极板5。催化剂层和气体扩散层的两端可以设置密封圈。
本发明实施例燃料电池中的气体扩散层包括导电多孔基材层1，包括碳纤维基材子层、抗压强度子层以及均匀分布的导电粒子，抗压强度子层和导电粒子覆盖在碳纤维基材子层的表面；疏水层2，至少形成在导电多孔基材层1的表面；微孔层3，包括形成在疏水层2一侧、均匀分布的多孔材料，微孔层2具有疏水性。由于在传统的碳纤维基材子层的基础上增加提高机械强度的抗压强度子层，能够增加基材层的机械强度，提高拉伸强度；将导电粒子加入到基材层，将多孔材料加入到微孔层3，根据实际应用中对导电性的具体要求，可以通过选择导电的多孔材料来调节气体扩散层的电阻以满足对导电性的具体要求，能够为调节气体扩散层的体电阻提供技术支持；增加疏水层2，同时进一步使微孔层3具有疏水性，这能够使气体扩散层具有优良的排水性能；碳纤维基材和多孔材料相匹配，能够使气体扩散层的气体扩散性能优异。
另外，由于气体扩散层性能优越，能够使燃料电池在高功率输出的情况下依然运行；由于导电多孔基材层、疏水层、微孔层接合紧密，不易掉粉，一定压力下难以产生裂缝，所以形成的气体扩散层使用寿命长；由于微孔层包括均匀分布的多孔材料，表面粗糙度小，能跟质子交换膜紧密贴合，减小接触电阻，增强燃料电池性能。
结合参见图1和图3，图3是本发明燃料电池气体扩散层的制备方法一实施例的流程示意图，本实施例的制备方法能够制备上述的气体扩散层，相关内容的详细说明请参见上述气体扩散层部分，在此不再赘叙。该方法包括：
步骤S101：提供碳纤维基材作为碳纤维基材子层11。
步骤S102：在碳纤维基材子层11的表面形成抗压强度子层12和均匀分布的导电粒子13，以获得导电多孔基材层1。
步骤S103：至少在导电多孔基材层1的表面形成疏水层2。
步骤S104：在疏水层2一侧形成均匀分布有多孔材料、具有疏水性的微孔层3。
本发明实施例的制备方法所制备的气体扩散层包括导电多孔基材层1，包括碳纤维基材子层11、抗压强度子层12以及均匀分布的导电粒子13，抗压强度子层12和导电粒子13覆盖在碳纤维基材子层11的表面；疏水层2，至少形成在导电多孔基材层1的表面；微孔层3，包括形成在疏水层2一侧、均匀分布的多孔材料，微孔层2具有疏水性。由于在传统的碳纤维基材子层11的基础上增加提高机械强度的抗压强度子层12，能够增加基材层的机械强度，提高拉伸强度；将导电粒子13加入到基材层，将多孔材料加入到微孔层3，根据实际应用中对导电性的具体要求，可以通过选择导电的多孔材料来调节气体扩散层的电阻以满足对导电性的具体要求，能够为调节气体扩散层的体电阻提供技术支持；增加疏水层2，同时进一步使微孔层3具有疏水性，这能够使气体扩散层具有优良的排水性能；碳纤维基材和多孔材料相匹配，能够使气体扩散层的气体扩散性能优异。
其中，抗压强度子层12覆盖在碳纤维基材子层11的表面；导电粒子均匀分布在抗压强度子层12。
其中，气体扩散层的厚度是80-250微米；气体扩散层的拉伸强度是7-20MPa；气体扩散层的体电阻是3-10mΩ·cm2；气体扩散层的孔隙率是40％以上；气体扩散层的接触角是120-170°。
其中，碳纤维基材的厚度是250μm以下；微孔层的厚度是10-100μm；气体扩散层的面积重量是45-80g/m2；碳纤维基材包括但不限于碳纤维纸、碳纤维布、碳纤维毡中的一种；导电粒子包括但不限于碳粉末、碳黑粉末、乙炔黑粉末、科琴黑粉末、SUPER P粉末、碳纳米管粉末、石墨烯粉末中的至少一种；多孔材料是导电的多孔材料；多孔材料包括但不限于碳黑、乙炔黑、科琴黑、SUPER P、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
在一实施例中，步骤S102具体可以包括：将第一混合物浆料涂覆在碳纤维基材子层的表面而在碳纤维基材子层的表面形成均匀分布有导电粒子的抗压强度子层，第一混合物浆料包括导电粒子、增稠剂以及粘结剂。进一步，步骤S102具体还可以包括：将第一混合物浆料涂覆在碳纤维基材子层的表面并经第一处理而在碳纤维基材子层的表面形成均匀分布有导电粒子的抗压强度子层。第一处理的主要目的是加速将第一混合物浆料变为固态并稳定结合在碳纤维基材子层的表面。
在一实施例中，第一处理是热处理；热处理除了可以加速将第一混合物浆料变为固态并稳定结合在碳纤维基材子层的表面外，还可以通过控制热处理的温度获得期望的导电性能。具体地，第一处理是烧结处理和碳化处理；其中，烧结温度是200-400℃，例如：200℃、300℃、400℃，等等；碳化温度是1000℃以上，例如：1000℃、1200℃、1400℃、1600℃，等等；烧结处理的气氛是空气；碳化处理的气氛是保护气；保护气包括但不限于是氮气、氩气、氦气中的一种。通过烧结处理和碳化处理，能够进一步优化导电多孔基材层1的表面结构，增加比表面积，降低电阻率。
在一实施例中，步骤S102中，将第一混合物浆料涂覆在碳纤维基材子层的表面并经第一处理，具体可以包括：由放卷和收卷输送的碳纤维基材子层的单面或双面同时涂覆第一混合物浆料后，水平依次输送进烧结炉和碳化炉，以涂覆面不接触输送辊、烧结炉和碳化炉的方式收卷。通过上述方式，能够获得连续不断的、无污染的导电多孔基材层，从而提高制备效率。
在一实施例中，步骤S103具体可以包括：利用疏水剂浸渍导电多孔基材层而形成疏水层。进一步，步骤S103具体还可以包括：利用疏水剂浸渍导电多孔基材层并经第二处理而形成疏水层。第二处理的主要目的是加速将疏水剂变为固态并稳定结合在导电多孔基材层的内部空间和外部空间的表面。在一实施例中，第二处理是热处理；具体地，第二处理是干燥处理和烧结处理；烧结温度是200-400℃，例如：200℃、300℃、400℃，等等。
在一实施例中，步骤S103中，利用疏水剂浸渍导电多孔基材层并经第二处理，具体可以包括：由放卷和收卷输送的导电多孔质基材浸渍疏水剂，浸渍后通过挤水辊依次输送进干燥炉和烧结炉，以材料表面不接触干燥炉和烧结炉的方式收卷。通过上述方式，能够获得连续不断的、无污染的、结合紧密的导电多孔基材层和疏水层，从而提高制备效率。
在一实施例中，步骤S104具体可以包括：将第二混合物浆料涂覆在疏水层一侧而在疏水层一侧形成均匀分布有多孔材料、具有疏水性的微孔层，第二混合物浆料包括多孔材料、增稠剂以及疏水剂。进一步，步骤S104具体还可以包括：将第二混合物浆料涂覆在疏水层一侧并经第三处理而在疏水层一侧形成均匀分布有多孔材料、具有疏水性的微孔层。第三处理的主要目的是加速将第二混合物浆料变为固态并稳定结合在疏水层一侧。其中，第三处理是热处理；具体地第三处理均是干燥处理和烧结处理；烧结温度是200-400℃，例如：200℃、300℃、400℃，等等。
在一实施例中，步骤S104中个，将第二混合物浆料涂覆在疏水层一侧并经第三处理，具体可以包括：由放卷和收卷输送的疏水层一侧涂覆第二混合物浆料后，依次输送进干燥炉和烧结炉，以涂覆面不接触输送辊、干燥炉和烧结炉的方式收卷。通过上述方式，能够获得连续不断的、无污染的、结合紧密的气体扩散层，从而提高制备效率。
其中，增稠剂包括但不限于甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的至少一种；粘结剂包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、含乙烯聚合物的热熔粘结剂中的至少一种；疏水剂包括但不限于聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚硅氮烷树脂中的至少一种。
其中，第一混合物浆料和第二混合物浆料的固含量均是5-25％；浸渍的疏水剂的固含量是1-20％。
下面通过具体的实际应用来说明本发明的制备方法以及该制备方法制备出来的气体扩散层的性能。
实施例1：将1.3Kg碳粉末、0.5Kg聚氨酯和0.1Kg甲基纤维素混合均匀后加入到12Kg、已加热到80-90℃的热水中，以1300rpm的速度搅拌1小时，再以4000rpm的速度分散3小时，接着在冰水浴中以300rpm的速度搅拌1小时，由此得到分散均匀的第一混合物浆料。调节涂布机的涂布头，将第一混合物浆料均匀地涂覆在10-30g/m2的碳纤维纸上，涂布厚度为100-250μm，涂布完成后依次通过110℃的干燥炉进行干燥5-10分钟、300℃的烧结炉进行烧结2-10分钟和1400℃的氮气氛保护下的碳化炉进行碳化20-50分钟，得到导电多孔基材层；该导电多孔基材层由收放卷系统输送通过装有2％-15％的聚四氟乙烯分散液的浸渍槽，然后依次进入110℃的干燥炉进行干燥5-10分钟、300℃的烧结炉进行烧结2-10分钟，由此得到疏水的导电多孔基材。
将1Kg碳黑、0.2Kg聚四氟乙烯悬浮液和0.1Kg甲基纤维素混合均匀后加入至13Kg水中，以2000rpm的速度搅拌1小时，再以4000rpm的速度搅拌分散3小时，由此得到分散均匀的第二混合物浆料。调节涂布机的涂布头，将第二混合物浆料均匀地涂覆在疏水的导电多孔基材的一面，涂布厚度为20-200μm，涂布完成后依次通过80-110℃的干燥炉进行干燥5-10分钟、300-365℃的烧结炉进行烧结2-10分钟，涂覆面以不接触输送辊、干燥炉和烧结炉的方式收卷。
获得的气体扩散层，其与水的接触角为150°；其在0.6MPa压力下的体电阻为5.5mΩ·Gm2，其拉伸强度为13MPa。
实施例2：将1.7Kg石墨粉末、1.5Kg聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和0.3Kg羟乙基纤维素混合均匀后加入到15Kg、已加热到80-90℃的热水中，以1300rpm的速度搅拌1小时，再以4000rpm的速度分散3小时，接着在冰水浴中以300rpm的速度搅拌1小时，由此得到分散均匀的第一混合物浆料。调节涂布机的涂布头，将第一混合物浆料均匀地涂覆在10-30g/m2的碳纤维纸上，涂布厚度为100-250μm，涂布完成后依次通过110℃的干燥炉进行干燥5-10分钟、300℃的烧结炉进行烧结2-10分钟和1400℃的氮气氛保护下的碳化炉进行碳化20-50分钟，得到导电多孔基材层；该导电多孔基材层由收放卷系统输送通过装有2％-15％的聚偏二氟乙烯分散液的浸渍槽，然后依次进入110℃的干燥炉进行干燥5-10分钟、300℃的烧结炉进行烧结2-10分钟，由此得到疏水的导电多孔基材。
将1.5Kg乙炔黑、0.25Kg聚偏二氟乙烯悬浮液和0.3Kg羟乙基纤维素混合均匀后加入至16Kg的水中，以2000rpm的速度搅拌1小时，再以4000rpm的速度搅拌分散3小时，由此得到分散均匀的第二混合物浆料。调节涂布机的涂布头，将第二混合物浆料均匀地涂覆在疏水的导电多孔基材的一面，涂布厚度为20-200μm，涂布完成后依次通过80-110℃的干燥炉进行干燥5-10分钟、300-365℃的烧结炉进行烧结2-10分钟，涂覆面以不接触输送辊、干燥炉和烧结炉的方式收卷。
获得的气体扩散层，其与水的接触角为140°；其在0.6MPa压力下的体电阻为4mΩ·Gm2，其拉伸强度为15MPa。
实施例3：将2.3Kg石墨粉末、2Kg丙烯酸树脂和0.6Kg聚乙烯醇混合均匀后加入到18Kg、已加热到80-90℃的热水中，以1300rpm的速度搅拌1小时，再以4000rpm的速度分散3小时，接着在冰水浴中以300rpm的速度搅拌1小时，由此得到分散均匀的第一混合物浆料。调节涂布机的涂布头，将第一混合物浆料均匀地涂覆在10-30g/m2的碳纤维纸上，涂布厚度为100-250μm，涂布完成后依次通过110℃的干燥炉进行干燥5-10分钟、300℃的烧结炉进行烧结2-10分钟和1400℃的氮气氛保护下的碳化炉进行碳化20-50分钟，得到导电多孔基材层；该导电多孔基材层由收放卷系统输送通过装有2％-15％的聚硅氮烷树脂分散液的浸渍槽，然后依次进入110℃的干燥炉进行干燥5-10分钟、300℃的烧结炉进行烧结2-10分钟，由此得到疏水的导电多孔基材。
将2Kg石墨烯、1Kg聚硅氮烷树脂悬浮液和0.6Kg聚乙烯醇混合均匀后加入至19Kg水中，以2000rpm的速度搅拌1小时，再以4000rpm的速度搅拌分散3小时，由此得到分散均匀的第二混合物浆料。调节涂布机的涂布头，将第二混合物浆料均匀地涂覆在疏水的导电多孔基材的一面，涂布厚度为20-200μm，涂布完成后依次通过80-110℃的干燥炉进行干燥5-10分钟、300-365℃的烧结炉进行烧结2-10分钟，涂覆面以不接触输送辊、干燥炉和烧结炉的方式收卷。
获得的气体扩散层，其与水的接触角为145°；其在0.6MPa压力下的体电阻为7mΩ·Gm2，其拉伸强度为16MPa。
上述获得的气体扩散层，气体扩散性优异，体电阻低，拉伸强度高，在燃料电池中可以保证有效的排水性能。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层包括：
导电多孔基材层，包括碳纤维基材子层、抗压强度子层以及均匀分布的导电粒子，所述抗压强度子层和所述导电粒子覆盖在所述碳纤维基材子层的表面；
疏水层，至少形成在所述导电多孔基材层的表面；
微孔层，包括形成在所述疏水层一侧、均匀分布的多孔材料，所述微孔层具有疏水性。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，
所述抗压强度子层覆盖在所述碳纤维基材子层的表面；所述导电粒子均匀分布在所述抗压强度子层；
所述气体扩散层的厚度是80-250μm；所述气体扩散层的拉伸强度是7-20MPa；所述气体扩散层的体电阻是3-10mΩ·cm2；所述气体扩散层的孔隙率是40％以上；所述气体扩散层的接触角是120-170°；
碳纤维基材的厚度是250μm以下；所述微孔层的厚度是10-100μm；所述气体扩散层的面积重量是45-80g/m2；
所述碳纤维基材包括碳纤维纸、碳纤维布、碳纤维毡中的一种；
所述导电粒子包括碳粉末、碳黑粉末、乙炔黑粉末、科琴黑粉末、SUPER P粉末、碳纳米管粉末、石墨烯粉末中的至少一种；
所述多孔材料是导电的多孔材料；所述多孔材料包括碳黑、乙炔黑、科琴黑、SUPER P、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，
所述导电多孔基材层是将第一混合物浆料涂覆在所述碳纤维基材而形成，所述第一混合物浆料包括所述导电粒子、增稠剂以及粘结剂；
所述疏水层是利用疏水剂浸渍所述导电多孔基材层而形成；
所述微孔层是将第二混合物浆料涂覆在所述疏水层一侧而形成，所述第二混合物浆料包括所述多孔材料、所述增稠剂以及所述疏水剂。
4.根据权利要求3所述的气体扩散层，其特征在于，
所述增稠剂包括甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的至少一种；
所述粘结剂包括环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、含乙烯聚合物的热熔粘结剂中的至少一种；
所述疏水剂包括聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚硅氮烷树脂中的至少一种；
所述第一混合物浆料和所述第二混合物浆料的固含量均是5-25％；
浸渍的疏水剂的固含量是1-20％。
5.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括如权利要求1-4任一项所述的气体扩散层。
6.一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供碳纤维基材作为碳纤维基材子层；
在所述碳纤维基材子层的表面形成抗压强度子层和均匀分布的导电粒子，以获得导电多孔基材层；
至少在所述导电多孔基材层的表面形成疏水层；
在所述疏水层一侧形成均匀分布有多孔材料、具有疏水性的微孔层。
7.根据权利要求6所述的气体扩散层，其特征在于，
所述抗压强度子层覆盖在所述碳纤维基材子层的表面；所述导电粒子均匀分布在所述抗压强度子层；
所述气体扩散层的厚度是80-250μm；所述气体扩散层的拉伸强度是7-20MPa；所述气体扩散层的体电阻是3-10mΩ·cm2；所述气体扩散层的孔隙率是40％以上；所述气体扩散层的接触角是120-170°；
碳纤维基材的厚度是250μm以下；所述微孔层的厚度是10-100μm；所述气体扩散层的面积重量是45-80g/m2；
所述碳纤维基材包括碳纤维纸、碳纤维布、碳纤维毡中的一种；
所述导电粒子包括碳粉末、碳黑粉末、乙炔黑粉末、科琴黑粉末、SUPER P粉末、碳纳米管粉末、石墨烯粉末中的至少一种；
所述多孔材料是导电的多孔材料；所述多孔材料包括碳黑、乙炔黑、科琴黑、SUPER P、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述碳纤维基材子层的表面形成抗压强度子层和均匀分布的导电粒子，以获得导电多孔基材层，包括：
将第一混合物浆料涂覆在所述碳纤维基材子层的表面而在所述碳纤维基材子层的表面形成均匀分布有所述导电粒子的抗压强度子层，所述第一混合物浆料包括所述导电粒子、增稠剂以及粘结剂；其中，将所述第一混合物浆料涂覆在所述碳纤维基材子层的表面并经第一处理而在所述碳纤维基材子层的表面形成均匀分布有所述导电粒子的抗压强度子层；所述第一处理是热处理；
所述至少在所述导电多孔基材层的表面形成疏水层，包括：
利用疏水剂浸渍所述导电多孔基材层而形成所述疏水层；
其中，利用疏水剂浸渍所述导电多孔基材层并经第二处理而形成所述疏水层；所述第二处理是热处理；
所述在所述疏水层一侧形成均匀分布有多孔材料、具有疏水性的微孔层，包括：
将第二混合物浆料涂覆在所述疏水层一侧而在所述疏水层一侧形成均匀分布有多孔材料、具有疏水性的微孔层，所述第二混合物浆料包括所述多孔材料、所述增稠剂以及所述疏水剂；其中，将所述第二混合物浆料涂覆在所述疏水层一侧并经第三处理而在所述疏水层一侧形成均匀分布有多孔材料、具有疏水性的微孔层；所述第三处理是热处理；
所述第一处理是烧结处理和碳化处理；所述第二处理和所述第三处理均是干燥处理和烧结处理；
烧结温度是200-400℃；碳化温度是1000℃以上；
所述烧结处理的气氛是空气；所述碳化处理的气氛是保护气；所述保护气是氮气、氩气、氦气中的一种。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：
所述增稠剂包括甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的至少一种；
所述粘结剂包括环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、含乙烯聚合物的热熔粘结剂中的至少一种；
所述疏水剂包括聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏二氟乙烯、聚硅氮烷树脂中的至少一种；
所述第一混合物浆料和所述第二混合物浆料的固含量均是5-25％；
浸渍的疏水剂的固含量是1-20％。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：
所述将所述第一混合物浆料涂覆在所述碳纤维基材子层的表面并经第一处理，包括：
由放卷和收卷输送的所述碳纤维基材子层的单面或双面同时涂覆所述第一混合物浆料后，水平依次输送进烧结炉和碳化炉，以涂覆面不接触输送辊、烧结炉和碳化炉的方式收卷；
所述利用疏水剂浸渍所述导电多孔基材层并经第二处理，包括：
由放卷和收卷输送的所述导电多孔质基材浸渍疏水剂，浸渍后通过挤水辊依次输送进干燥炉和烧结炉，以材料表面不接触干燥炉和烧结炉的方式收卷；
所述将第二混合物浆料涂覆在所述疏水层一侧并经第三处理，包括：
由放卷和收卷输送的所述疏水层一侧涂覆所述第二混合物浆料后，依次输送进干燥炉和烧结炉，以涂覆面不接触输送辊、干燥炉和烧结炉的方式收卷。
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