CN110783593A - 一种燃料电池气体扩散层及其制备方法 - Google Patents

一种燃料电池气体扩散层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池气体扩散层及其制备方法。所述燃料电池气体扩散层用一种狭缝涂布方法将浆料涂布在多孔碳膜基底上。通过控制浆料的材质、浓稠度、用量、表面张力，以及涂布速度，可控制扩散层孔隙度、厚度、表面粗糙度以及电导率等参数。微孔层以喷涂或者滴涂的方式负载在扩散层表面。传统燃料电池所使用的碳纸用碳纤维毡或碳布制备，厚度较厚，孔径不均一，表面较粗糙。本发明所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，制备所得的扩散层，表面平滑，孔径均一，轻薄又具备柔性。

Description

一种燃料电池气体扩散层及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池气体扩散层及其制备方法。
背景技术
燃料电池就是一种清洁产能装置，它的能量转化率高，产物为水，因此可以作为一种清洁能源使用。燃料电池广泛的应用于航空航天，汽车领域，电子工业中。燃料电池可分为：质子交换膜燃料电池(聚合物电解质膜燃料电池)、甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、碱燃料电池等。除了燃料和电解质外，大多数燃料电池的总体结构设计类似。
燃料电池是氢与氧反应产生水而转化为电能，因此反应过程中会产生大量的水对电池造成较大的复合，使催化层被水淹，堵塞整个电池通道，使气体无法传输。因此有一个良好的通道，能够传送气体，管理反应所产生的水就很重要。
气体扩散层(Gas Duffusion Layer简称GDL)，在燃料电池中有极为重要的作用，气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。扩散层的厚度对整个燃料电池有着重要的影响，扩散层太厚，整个电池的传质和气体传输会受到较大的影响；扩散层太薄，对催化层的承载能力减弱，并且收集电流的能力会减弱，对电池的放电会造成影响。一个好的扩散层应具有良好的传质能力、良好的导电性、良好的催化剂承载能力。
同时，良好的传质能力就要求整个扩散层需要较高的孔隙度，厚度也不能过厚，碳纸、碳布等以碳纤维毡布作为基底层的气体扩散层拥有较高的透气性、导电性但是机械强度却有很大的局限性。
CN102856567A公开了一种一体式可再生燃料电池扩散层及其制备方法，采用不导电的有机合成纤维布作为扩散层的支撑体，通过在其上构造导电的耐腐蚀金属/金属氧化物网络，填充到有机纤维的孔隙中，结合一定的疏水剂、粘结剂，使扩散层达到适宜的亲疏水性能以及构造合适的孔结构，以保证URFC在不同工作模式下的传质平衡。所述燃料电池扩散层解决了现有技术中URFC支撑体的腐蚀问题，但是其传质能力较差。
CN107012739B公开了一种导电高分子薄膜改性的超薄炭纤维纸及其制备方法，采用电化学沉积的方法在高通量无改性超薄炭纤维纸内部沉积导电高分子薄膜，制得导电高分子薄膜改性超薄炭纤维纸。在所制的导电高分子薄膜改性超薄炭纤维纸中，导电高分子薄膜包覆在炭纤维、基体炭-炭纤维节点上，在炭纸内部形成厚度均匀的薄膜网络。所述超薄炭纤维纸的传质能力和气透率较差。
因此，本领域亟需一种新型燃料电池用气体扩散层，所述气体扩散层具有良好的传质能力、良好的透气性、良好的导电性和良好的机械强度、以及良好的催化剂承载能力，并且制备过程简单，可工业化生产。
发明内容
鉴于目前市场上的碳纸制备流程复杂，导致制备成本较高。并且制备出的碳纸厚度较厚，气体传递路径长，增加了传质阻力，并且传统碳纸加入胶黏剂如PTFE、酚醛树脂等经过高温石墨化后扩散层结构会变得很脆，机械强度较低，在使用的过程中容易发生断裂的现象，影响电池放电性能。鉴于以上的局限性，本发明突破传统的碳纸制备方法不经过石墨化处理手段，使扩散层变得柔软且具有高导电性。
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种气体扩散层制备方法。为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种燃料电池气体扩散层，燃料电池气体扩散层包括支撑层、碳材料扩散层和微孔层；碳材料扩散层通过窄缝涂布的方法负载于支撑层表面；微孔层以喷涂或者滴涂的方式负载在扩散层表面。
在涂布扩散层时，它的表面也会像传统碳纸那样有大小不一的孔隙，并且表面可能存在轻微凹凸不平的现象，所以微孔层就成了一个重要的部分，它可以使扩散层大小不一的孔隙填补，还可以减缓扩散层的不平整现象，进而实现水和反应气体在流场和催化层的再分配，并且增加了电导率，提高了电池寿命。
优选的，支撑层为多孔碳膜；多孔碳膜有两种成孔方式，一种为贯穿性孔，且孔的排布方式为紧密有序排列，第二种是叠加孔。支撑层具有较高的机械强度，其即可集流又可作为扩散层框架基底。
优选的，贯穿性孔，其孔的大小在10-100μm之间，孔间距在40-160μm之间；叠加孔为非贯穿孔与贯穿孔间隔叠加。
优选的，碳材料扩散层的涂布浆料为碳材料的分散液，所用碳材料为碳纳米管、碳纤维、石墨、碳粉中的任意一种或两种以上的组合碳材料。
优选的，微孔层的孔隙率为50％～80％；微孔层包括碳粉，微孔层中碳粉的担载量为0.2mg/cm2～0.8mg/cm2；碳粉包括乙炔黑、活性炭和石墨粉中的任意一种两种以上的组合。
本发明所述支撑层、碳材料扩散层和微孔层共同作用，可以得到具有良好的传质能力、良好的透气性、良好的导电性和良好的机械强度、以及良好的催化剂承载能力的燃料电池气体扩散层。
一种燃料电池气体扩散层的制备方法，按以下步骤进行：
1)将多孔碳膜固定在步进电机控制的基地台上；
2)用狭缝涂布的方法，将浆料涂布在多孔碳膜上，形成碳材料扩散层；
3)以喷涂或滴涂的方式将微孔层负载于制备好的碳材料扩散层上。
优选的，狭缝涂布的方法可以通过阀门调节压力来调节浆料的流量，进而控制扩散层的均匀度；阀门的压力为0.3Mpa-1Mpa。
优选的，狭缝涂布的方法通过改变浆料的粘稠度，即浆料的浓度，来控制扩散层的孔隙度；所述浆料的浓度为0.05mg/ml-0.3mg/ml。
优选的，涂布时间为3min-20min；涂布厚度为10μm～60μm。
根据狭缝涂布的特点，通过改变浆料的流量、材质、粘度、浆料(表面张力)，得到的燃料电池气体扩散层具有不同的孔隙度、厚度、导电性、在电池上的表现也有所不同。
优选的，在浆料中可加入氟聚物，来增加浆料的表面张力；在狭缝涂布后，可将碳材料扩散层浸渍于氟聚物中，来增加燃料电池气体扩散层的表面张力；可通过狭缝涂布，将氟聚物均匀的涂在碳材料扩散层上。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
该燃料电池气体扩散层制备工艺简单，成本较低。该燃料电池气体扩散层具有良好的传质能力、良好的透气性、良好的导电性和良好的机械强度、以及良好的催化剂承载能力，可工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
一种燃料电池气体扩散层，燃料电池气体扩散层包括支撑层、碳材料扩散层和微孔层；碳材料扩散层通过窄缝涂布的方法负载于支撑层表面；微孔层以喷涂或者滴涂的方式负载在扩散层表面。
在涂布扩散层时，它的表面也会像传统碳纸那样有大小不一的孔隙，并且表面可能存在轻微凹凸不平的现象，所以微孔层就成了一个重要的部分，它可以使扩散层大小不一的孔隙填补，还可以减缓扩散层的不平整现象，进而实现水和反应气体在流场和催化层的再分配，并且增加了电导率，提高了电池寿命。
进一步的，支撑层为多孔碳膜；多孔碳膜有两种成孔方式，一种为贯穿性孔，且孔的排布方式为紧密有序排列，第二种是叠加孔。支撑层具有较高的机械强度，其即可集流又可作为扩散层框架基底。
进一步的，贯穿性孔，其孔的大小在10-100μm之间，孔间距在40-160μm之间；叠加孔为非贯穿孔与贯穿孔间隔叠加。
进一步的，孔大小可为13μm、28μm、34μm、49μm、52μm、57μm、60μm、75μm、80μm、90μm等。
进一步的，孔间距大小可为44μm、57μm、63μm、78μm、89μm、95μm、100μm、120μm、137μm、149μm等。
进一步的，碳材料扩散层的涂布浆料为碳材料的分散液，所用碳材料为碳纳米管、碳纤维、石墨、碳粉中的任意一种或两种以上的组合碳材料。碳材料的浓度在0.1mg/ml-1mg/ml之间，所制备的扩散层在不改变浆料体积，涂布时间的情况下，所得到的扩散层孔隙度在50％-95％之间。碳纳米管做浆料的孔隙度在50％-90％之间，碳纤维做浆料的孔隙度在80-95％之间，碳粉做浆料的孔隙度在70-95％之间，两种或者两种以上组合碳材料做浆料的孔隙度在50-95％之间。
进一步的，微孔层的孔隙率为50％～80％，可为52％、55％、58％、60％、62％、65％、68％、70％、72％、75％或78％等；微孔层包括碳粉，微孔层中碳粉的担载量为0.2mg/cm2～0.8mg/cm2，如0.3mg/cm2、0.4mg/cm2、0.5mg/cm2、0.6mg/cm2或0.7mg/cm2等；碳粉包括乙炔黑、活性炭和石墨粉中的任意一种两种以上的组合。碳粉含量过少，则导电性较差，会发生催化剂渗漏；碳粉含量过多，气体传输路径长。
本发明所述支撑层、碳材料扩散层和微孔层共同作用，可以得到具有良好的传质能力、良好的透气性、良好的导电性和良好的机械强度、以及良好的催化剂承载能力的燃料电池气体扩散层。
一种燃料电池气体扩散层的制备方法，按以下步骤进行：
1)将多孔碳膜固定在步进电机控制的基地台上；
2)用狭缝涂布的方法，将浆料涂布在多孔碳膜上，形成碳材料扩散层；
3)以喷涂或滴涂的方式将微孔层负载于制备好的碳材料扩散层上。
进一步的，狭缝涂布的方法可以通过阀门调节压力来调节浆料的流量，进而控制扩散层的均匀度；阀门的压力为0.3Mpa-1Mpa。
进一步的，阀门压力可为0.3Mpa、0.35Mpa、0.4Mpa、0.5Mpa、0.55Mpa、0.6Mpa等。
进一步的，狭缝涂布的方法通过改变浆料的粘稠度，即浆料的浓度，来控制扩散层的孔隙度；所述浆料的浓度为0.05mg/ml-0.3mg/ml。
进一步的，浆料浓度可为0.05mg/ml、0.1mg/ml、0.1mg/ml、0.15mg/ml、0.2mg/ml、0.25mg/ml等。
进一步的，涂布时间为3min-20min；涂布厚度为10μm～60μm。
进一步的，涂布时间可为4min、6min、9min、12min、16min、19min等。涂布厚度可为12μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm或58μm等。
根据狭缝涂布的特点，通过改变浆料的流量、材质、粘度、浆料(表面张力)，得到的燃料电池气体扩散层具有不同的孔隙度、厚度、导电性、在电池上的表现也有所不同。
进一步的，在浆料中可加入氟聚物，来增加浆料的表面张力；在狭缝涂布后，可将碳材料扩散层浸渍于氟聚物中，来增加燃料电池气体扩散层的表面张力；可通过狭缝涂布，将氟聚物均匀的涂在碳材料扩散层上。
进一步的，成膜后的表面张力在130°～160°之间。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述燃料电池气体扩散层包括支撑层、碳材料扩散层和微孔层；所述碳材料扩散层通过窄缝涂布的方法负载于支撑层表面；所述的微孔层以喷涂或者滴涂的方式负载在扩散层表面。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述支撑层为多孔碳膜；所述多孔碳膜有两种成孔方式，一种为贯穿性孔，且孔的排布方式为紧密有序排列，第二种是叠加孔。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述贯穿性孔，其孔的大小在10-100μm之间，孔间距在40-160μm之间；所述叠加孔为非贯穿孔与贯穿孔间隔叠加。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述碳材料扩散层的涂布浆料为碳材料的分散液，所用碳材料为碳纳米管、碳纤维、石墨、碳粉中的任意一种或两种以上的组合碳材料。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述微孔层的孔隙率为50％～80％；微孔层包括碳粉，微孔层中碳粉的担载量为0.2mg/cm2～0.8mg/cm2；所述碳粉包括乙炔黑、活性炭和石墨粉中的任意一种两种以上的组合。
6.一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：
1)将多孔碳膜固定在步进电机控制的基地台上；
2)用狭缝涂布的方法，将浆料涂布在多孔碳膜上，形成碳材料扩散层；
3)以喷涂或滴涂的方式将微孔层负载于制备好的碳材料扩散层上。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述狭缝涂布的方法，可以通过阀门调节压力来调节浆料的流量，进而控制扩散层的均匀度；阀门的压力为0.3Mpa-1Mpa；
所述狭缝涂布的方法，通过改变浆料的粘稠度，即浆料的浓度，来控制扩散层的孔隙度；所述浆料的浓度为0.05mg/ml-0.3mg/ml；
所述狭缝涂布的方法，涂布时间为3min-20min；涂布厚度为10μm～60μm。
8.根据权利要求6所述的一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，在浆料中可加入氟聚物；在狭缝涂布后，可将碳材料扩散层浸渍于氟聚物中；可通过狭缝涂布，将氟聚物均匀的涂在碳材料扩散层上。
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