CN110993965A - 一种气体扩散层中微孔层的制备方法 - Google Patents

一种气体扩散层中微孔层的制备方法 Download PDF

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方晓曦
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Abstract

本发明涉及燃料电池微孔层制备技术领域，公开了一种气体扩散层中微孔层的制备方法，包括如下步骤，(1)获取至少两种浆料；(2)选择一个浆料涂布于基板的一侧；(3)对涂布后的浆料依次进行干燥、热压、烧结处理，形成微孔层；(4)选择另一浆料并将所述另一浆料涂布于微孔层远离所述基板的一侧；(5)对涂布后的另一浆料依次进行干燥、热压、烧结处理，形成另一微孔层；(6)重复上述步骤(4)至(5)，待浆料全部处理完后即制得全部微孔层，且沿远离所述基板的方向所述微孔层的孔隙率不断减小。本发明所述的燃料电池不会出现水淹的情况。

Description

一种气体扩散层中微孔层的制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池微孔层制备技术领域，具体涉及一种气体扩散层中微孔层的制备方法。
背景技术
燃料电池中，气体扩散层包括基板和微孔层，基板为碳纤维纸制成，微孔层的制备方法为将浆料涂布于基板的一侧以形成微孔层；目前的燃料电池都是基板的一侧涂浆料形成单个微孔层，设置有这种微孔层的热量电池存在缺陷，当燃料电池处于高电流密度下工作时，传统工艺制备的单层微孔层难以满足其导气排水的功能，出现较为严重的水淹问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种气体扩散层中微孔层的制备方法，解决现有技术中单层的催化层会导致燃料电池出现水淹的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
(1)获取至少两种浆料；
(2)选择一个浆料涂布于基板的一侧；
(3)对涂布后的浆料依次进行干燥、热压、烧结处理，形成微孔层；
(4)选择另一浆料并将所述另一浆料涂布于微孔层远离所述基板的一侧；
(5)对涂布后的另一浆料依次进行干燥、热压、烧结处理，形成另一微孔层；
(6)重复上述步骤(4)至(5)，待浆料全部处理完后即制得全部微孔层，且沿远离所述基板的方向所述微孔层的孔隙率不断减小。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：燃料电池气体扩散层的主要功能简单来说为排水导电导气，传统气体扩散层有一层微孔层，未能形成孔径梯度，催化层内部生成的水由内向外排出容易发生水淹现象，通过本发明的多层梯度微孔层设计，在远离基板的方向上逐渐提高了微孔层的疏水性，减小了孔隙率，使孔隙内的表面张力形成了多层梯度，大大增强了微孔层的水管理能力和气体扩散能力，催化层中生成的水能更有效地排出气体扩散层，提高了燃料电池抗水淹的能力。
附图说明
图1是发明中气体扩散层、多个微孔层的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种气体扩散层中微孔层的制备方法，如图1所示，包括如下步骤，
(1)获取至少两种浆料；
(2)选择一个浆料涂布于基板q的一侧；
(3)对涂布后的浆料依次进行干燥、热辊压、烧结处理，形成微孔层；
(4)选择另一浆料并将所述另一浆料涂布于微孔层远离所述基板q的一侧；
(5)对涂布后的另一浆料依次进行干燥、热辊压、烧结处理，形成另一微孔层；
(6)重复上述步骤(4)至(5)，待浆料全部处理完后即制得全部微孔层。
步骤(1)至步骤(6)中所述浆料为疏水材料、导电碳黑及溶剂的混合物，疏水材料包括PTFE、PDDA、PVDF、FEP、ETFE中的一种或两种以上，导电碳黑为乙炔黑、石墨化碳、超导碳黑、blackpearl碳黑中的一种或两种以上，溶剂包含去离子水和醇，醇为甲醇、乙二醇、丙三醇、一缩二丙二醇中的一种或两种以上。
优选的，步骤(3)中所述的热压为使用辊压机的两个挤压辊对涂有浆料的基板q进行辊压，所述辊压机的两个挤压辊之间的距离减去基板q的厚度后为10μm-30μm，挤压辊的温度为50℃-120℃。
优选的，步骤(5)中所述的热压为使用辊压机的两个挤压辊对涂有浆料的基板q进行辊压，所述辊压机的两个挤压辊之间的距离减去基板q和微孔层的厚度后为10μm-30μm，挤压辊的温度为50℃-120℃。
优选的，所述步骤(2)中涂布时模头与所述基板q之间的间距为100μm-300μm，所述步骤(4)中涂布时模头与所述微孔层之间的间距为100μm-300μm。
优选的，步骤(2)和步骤(5)中涂布后的浆料的干燥温度为30℃-120℃，干燥时间为30min-120min。
优选的，所述步骤中(3)(5)中所述烧结的温度为200℃-400℃，所述烧结的时间为30min-120min。
优选的，所述步骤(2)和步骤(4)中，将涂布有浆料的基板q的另一侧抽成真空2-6秒。
基板q为碳纤维纸制成。
在具体实施例中，气体扩散层的厚度为110μm-390μm，每一微孔层的孔隙率为50％-70％，且沿远离所述基板q的方向所述微孔层的孔隙率不断减小，微孔层的孔隙率越高，水分越容易流失。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明的具体制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例一：
一种气体扩散层中微孔层的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)，分别称量1.75g导电碳黑(美国卡伯特公司XC-72R)、0.45gTritonX-100、4.45g乙二醇(上海阿拉丁公司)、0.51gPTFE乳液(上海河森电气有限公司)，再称量13.35g去离子水到烧杯中进行超声分散30min；对超声分散处理后得到的混合物以8000rpm搅拌60min，即得微孔层浆料A，搅拌使用的是高速分散机(德国IKA公司，T25数显型)；
分别称量2.19g导电碳黑(美国卡伯特公司XC-72R)、0.55gTriton X-100、4.45g乙二醇(上海阿拉丁公司)、0.91gPTFE乳液(上海河森电气有限公司)，再称量13.35g去离子水到烧杯中进行超声分散30min；对超声分散处理后得到的混合物以8000rpm搅拌60min，即得微孔层浆料B，搅拌使用的是高速分散机(德国IKA公司，T25数显型)；
分别称量2.85g导电碳黑(美国卡伯特公司XC-72R)、0.66gTriton X-100、4.45g乙二醇(上海阿拉丁公司)、1.52gPTFE乳液(上海河森电气有限公司)，再称量13.35g去离子水到烧杯中进行超声分散30min；对超声分散处理后得到的混合物以8000rpm搅拌60min，即得微孔层浆料C，搅拌使用的是高速分散机(德国IKA公司，T25数显型)；
步骤(2)，将基板q置于涂布机涂布平台上，利用超声喷涂的方式将浆料A喷涂在基板q的一侧，涂布时模头与所述基板q之间的间距为100μm，涂布时将基板q的另一侧抽成真空4秒；
步骤(3)，通过将涂有浆料A的基板q放入真空干燥箱内以80℃的干燥30min，干燥完成后通过辊压机对基板q涂有浆料的一侧进行碾压，辊压机的两个挤压辊之间的距离减去基板q的厚度后为10μm，辊轮温度为50℃；将热辊压后的产品放入380℃的烘箱中保持30min，即制得第一微孔层r，测得第一微孔层r的孔隙率为67.3％。
步骤(4)，将设有第一微孔层r的基板q置于涂布机涂布平台上，利用超声喷涂的方式将浆料B喷涂在第一微孔层r远离所述基板q的一侧，涂布时模头与所述第一微孔层r之间的间距为100μm，涂布时将基板q远离浆料B的一侧抽成真空4秒；
步骤(5)，通过将涂有浆料B的基板q放入真空干燥箱内以80℃的干燥30min，干燥完成后通过辊压机对基板q涂有浆料B的一侧进行碾压，辊压机的两个挤压辊之间的距离减去基板q和第一微孔层r的厚度后为10μm，辊轮温度为50℃；将热辊压后的产品放入380℃的烘箱中保持30min，即制得第二微孔层s，测得第二微孔层s的孔隙率为60.6％。
步骤(6)，将设有第二微孔层s的基板q置于涂布机涂布平台上，利用超声喷涂的方式将浆料C喷涂在第二微孔层s远离所述基板q的一侧，涂布时模头与所述第二微孔层s之间的间距为100μm，涂布时将基板q远离浆料C的一侧抽成真空4秒；
步骤(7)，通过将涂有浆料C的基板q放入真空干燥箱内以80℃的干燥30min，干燥完成后通过辊压机对基板q涂有浆料C的一侧进行碾压，辊压机的两个挤压辊之间的距离减去基板q、第一微孔层r、第二微孔层s的厚度后为10μm，辊轮温度为50℃；将热辊压后的产品放入380℃的烘箱中保持30min，即制得第三微孔层t，测得第三微孔层t的孔隙率为54.1％，第一微孔层r、第二微孔层s、第三微孔层t的总的厚度为60μm；
实施例二：
一种气体扩散层中微孔层的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)，分别称量1.5g导电碳黑(美国卡伯特公司XC-72R)、0.40gTriton X-100、3.8g乙二醇(上海阿拉丁公司)、0.4gPTFE乳液(上海河森电气有限公司)，再称量12.15g去离子水到烧杯中进行超声分散30min；对超声分散处理后得到的混合物以8000rpm搅拌60min，即得微孔层浆料A，搅拌使用的是高速分散机(德国IKA公司，T25数显型)；
分别称量2.19g导电碳黑(美国卡伯特公司XC-72R)、0.55gTriton X-100、4.45g乙二醇(上海阿拉丁公司)、0.91gPTFE乳液(上海河森电气有限公司)，再称量13.35g去离子水到烧杯中进行超声分散30min；对超声分散处理后得到的混合物以8000rpm搅拌60min，即得微孔层浆料B，搅拌使用的是高速分散机(德国IKA公司，T25数显型)；
分别称量3.5g导电碳黑(美国卡伯特公司XC-72R)、1.03gTriton X-100、6.8g乙二醇(上海阿拉丁公司)、1.62gPTFE乳液(上海河森电气有限公司)，再称量20.15g去离子水到烧杯中进行超声分散30min；对超声分散处理后得到的混合物以8000rpm搅拌60min，即得微孔层浆料C，搅拌使用的是高速分散机(德国IKA公司，T25数显型)；
步骤(2)，将基板q置于涂布机涂布平台上，利用超声喷涂的方式将浆料A喷涂在基板q的一侧，涂布时模头与所述基板q之间的间距为100μm，涂布时将基板q的另一侧抽成真空4秒；
步骤(3)，通过将涂有浆料A的基板q放入真空干燥箱内以80℃的干燥30min，干燥完成后通过辊压机对基板q涂有浆料的一侧进行碾压，辊压机的两个挤压辊之间的距离减去基板q的厚度后为10μm，辊轮温度为50℃；将热辊压后的产品放入380℃的烘箱中保持30min，即制得第一微孔层r，测得第一微孔层r的孔隙率为66.4％。
步骤(4)，将设有第一微孔层r的基板q置于涂布机涂布平台上，利用超声喷涂的方式将浆料B喷涂在第一微孔层r远离所述基板q的一侧，涂布时模头与所述第一微孔层r之间的间距为100μm，涂布时将基板q远离浆料B的一侧抽成真空4秒；
步骤(5)，通过将涂有浆料B的基板q放入真空干燥箱内以80℃的干燥30min，干燥完成后通过辊压机对基板q涂有浆料B的一侧进行碾压，辊压机的两个挤压辊之间的距离减去基板q和第一微孔层r的厚度后为10μm，辊轮温度为50℃；将热辊压后的产品放入380℃的烘箱中保持30min，即制得第二微孔层s，测得第二微孔层s的孔隙率为60.6％。
步骤(6)，将设有第二微孔层s的基板q置于涂布机涂布平台上，利用超声喷涂的方式将浆料C喷涂在第二微孔层s远离所述基板q的一侧，涂布时模头与所述第二微孔层s之间的间距为100μm，涂布时将基板q远离浆料C的一侧抽成真空4秒；
步骤(7)，通过将涂有浆料C的基板q放入真空干燥箱内以80℃的干燥30min，干燥完成后通过辊压机对基板q涂有浆料C的一侧进行碾压，辊压机的两个挤压辊之间的距离减去基板q、第一微孔层r、第二微孔层s的厚度后为10μm，辊轮温度为50℃；将热辊压后的产品放入380℃的烘箱中保持30min，即制得第三微孔层t，测得第三微孔层t的孔隙率为52.3％，第一微孔层r、第二微孔层s、第三微孔层t的总的厚度为60μm；
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，
(1)获取至少两种浆料；
(2)选择一个浆料涂布于基板的一侧；
(3)对涂布后的浆料依次进行干燥、热压、烧结处理，形成微孔层；
(4)选择另一浆料并将所述另一浆料涂布于微孔层远离所述基板的一侧；
(5)对涂布后的另一浆料依次进行干燥、热压、烧结处理，形成另一微孔层；
(6)重复上述步骤(4)至(5)，待浆料全部处理完后即制得全部微孔层，且沿远离所述基板的方向微孔层的孔隙率不断减小。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征还在于：步骤(1)至步骤(6)中所述浆料为疏水材料、导电碳黑及溶剂的混合物。
3.根据权利要求1所述的气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征还在于：气体扩散层的厚度为110μm-390μm，每一微孔层的孔隙率为50％-70％。
4.根据权利要求1所述的气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征还在于：步骤(3)中所述的热压为使用辊压机的两个挤压辊对涂有浆料的基板进行辊压，所述辊压机的两个挤压辊之间的距离减去基板的厚度后为10μm-30μm，挤压辊的温度为50℃-120℃。
5.根据权利要求1所述的气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征还在于：步骤(5)中所述的热压为使用辊压机的两个挤压辊对涂有浆料的基板进行辊压，所述辊压机的两个挤压辊之间的距离减去基板和微孔层的厚度后为10μm-30μm，挤压辊的温度为50℃-120℃。
6.根据权利要求1所述的气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征还在于：所述步骤(2)中涂布时模头与所述基板之间的间距为100μm-300μm，所述步骤(4)中涂布时模头与所述微孔层之间的间距为100μm-300μm。
7.根据权利要求1所述的气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征还在于：步骤(2)和步骤(5)中涂布后的浆料的干燥温度为30℃-120℃，干燥时间为30min-120min。
8.根据权利要求1所述的气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征还在于：所述步骤(3)和步骤(5)中所述烧结的温度为200℃-400℃，所述烧结的时间为30min-120min。
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