CN111584887A - 一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法。本发明质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，包括基底层预处理、微孔层浆料配制和气体扩散层制备等步骤，针对气体扩散层的耐久性问题，通过改进气体扩散层的制备方法提高微孔层和基材结合度：在基底层预处理时对基底层进行表面粗糙化处理，增加微孔层涂层和基底层的结合度；在微孔层浆料配制时向微孔层浆料中加入成膜剂，可有效防止微孔层在干燥过程中开裂；气体扩散层制备对气体扩散层进行热压处理，可增加微孔层和基材的结合度，提高气体扩散层的平整度，保证微孔层平整无裂纹，防止微孔层的脱落，有助于延长燃料电池的寿命。
Description
技术领域
本发明属于质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法。
背景技术
膜电极是燃料电池发电的核心部件，气体扩散层是膜电极的重要组成部分。气体扩散层的主要作用是排出反应产物，导入反应气体，提供电子导体，保证燃料电池持续稳定的发电。气体扩散层的制备方法是以多孔材料为支撑层，也称为基底层，在支撑层上制备一层疏水性强的微孔层，经过烧结后，形成气体扩散层。电池运行时，气体扩散层处于比较苛刻的环境下，例如湿度高、频繁启动、冷启动等，长时间运行后，微孔层可能会出现脱落，气体扩散层的多孔材料会裸露出来，电池会出现水淹，电阻增大，会缩短燃料电池的寿命。目前研究大部分集中在气体扩散层的性能上，对气体扩散层的耐久性研究相对较少。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层制备方法。本发明针对现有气体扩散层耐久性不足的问题，通过改进气体扩散层的制备方法提高微孔层和基材结合度，保证微孔层平整无裂纹，防止微孔层的脱落，以提高燃料电池性能，有助于延长燃料电池的寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
（1）基底层预处理：采用打磨或施加压力在基底层表面形成特定图案的纹路，使基底层表面具有一定的粗糙度，然后将基底层在浓度为1%-10%的憎水剂溶液中浸渍1-10min，并浸渍多次，干燥后在300-400℃下进行焙烧；
（2）微孔层浆料配制：以导电剂、憎水剂、成膜剂为原料，与溶剂混合分散后形成微孔层浆料；
（3）气体扩散层制备：采用涂覆法、丝网印刷或喷涂法将微孔层浆料涂覆在步骤（1）中处理后的基底层上，在300-400℃下焙烧，热压后形成气体扩散层。
步骤（1）中所述基底层为多孔碳纸或碳布，施加的压力为2-10 kg/cm2。
步骤（1）和步骤（2）中所述憎水剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物中的一种或几种混合。
步骤（2）中所述导电剂为碳材料，包括活性碳、石墨化碳或碳纳米管。
步骤（2）中所述成膜剂为聚乙烯醇、聚乙二醇中的至少一种。
步骤（2）中所述微孔层浆料中的溶剂为水、乙二醇、异丙醇、正丙醇、乙醇中的至少一种。
步骤（3）中所述气体扩散层中导电剂载量为1-4mg/cm2。
步骤（1）中预处理后基底层中憎水剂的含量为3%-10%，步骤（2）中微孔层浆料中憎水剂的含量为10%-40%。
步骤（1）中的干燥方式为自然晾干、40-70℃热风干燥或红外线照射干燥。
步骤（3）中热压处理时的温度为200-300℃，压力为2-10 kg/cm2。
与现有技术相比，本发明具有以下优点:
（1）本发明通过物理方法包括打磨或通过施加压力获得特定图案的纹路对基底层进行表面粗糙化处理，可增加微孔层涂层和基底层的结合度。
（2）本发明采用在微孔层浆料中加入成膜剂，可有效防止微孔层在干燥过程中开裂。
（3）本发明对气体扩散层进行热压处理，可增加微孔层和基材的结合度，提高气体扩散层的平整度。
（4）本发明制备的气体扩散层孔结构均匀、导电性好、基材和微孔层结合度好，有利于提高燃料电池运行的稳定性，提高气体扩散层的耐久性，延长燃料电池寿命，传统的制备方法中，没有对基底层进行表面粗糙化处理，基底层和微孔层结合不紧密；微孔层浆料中不加入成膜剂、没有热压过程，制备的微孔层容易出现裂纹。
附图说明
图1是本发明实施例1基底层预处理时采用的金属网的结构示意图。
图2是本发明实施例2基底层预处理时采用的金属网的结构示意图。
图3是本发明实施例1-4以及对比例1制备的气体扩散层用于膜电极上测得的极化曲线。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例1
一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
（1）基底层预处理：将碳纸放在压机上，将图1所示图案的金属网放在将要涂覆微孔层的碳纸一侧上，施加6 kg/cm2的压力形成纹路；将碳纸浸渍在聚四氟乙烯乳液中，红外光线照射干燥，反复浸渍多次，直到碳纸聚四氟乙烯含量为5%；
（2）微孔层浆料配制：先将聚乙二醇加入到水和乙醇的混合溶液中，再加入60%聚四氟乙烯乳液，搅拌，混合均匀，加入Vulcan XC-72碳粉，机械搅拌，超声形成均匀一致的微孔层浆料；
（3）气体扩散层制备：将微孔层浆料涂覆在步骤（1）中预处理后的碳纸上，直到碳粉载量达到2.5mg/cm2；将涂覆有微孔层浆料的碳纸在红外线照射下干燥后，290℃焙烧30min，随后升温至350℃焙烧30min，焙烧后热压，热压温度为250℃，压力为6 kg/cm2，制得气体扩散层，微孔层中憎水剂含量为20%，气体扩散层微孔层平整无裂纹，和基底层结合紧密。
实施例2
一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
（1）基底层预处理：将碳纸放在压机上，将图2所示图案的金属网放在将要涂覆微孔层的碳纸一侧上，施加6 kg/cm2的压力形成纹路；将碳纸浸渍在聚四氟乙烯乳液中，红外光线照射干燥，反复浸渍多次，直到碳纸聚四氟乙烯含量为5%；
（2）微孔层浆料配制：先将聚乙烯醇溶于水中，浓度为10%，将聚乙烯醇水溶液加入到水和乙醇的混合溶剂中，再加入60%聚四氟乙烯乳液，搅拌，混合均匀，加入Vulcan XC-72碳粉，机械搅拌，超声形成均匀一致的微孔层浆料；
（3）气体扩散层制备：将微孔层浆料涂覆在步骤（1）中预处理后的碳纸上，直到碳粉载量达到2.5mg/cm2；在红外线照射下干燥后，290℃焙烧30min，随后升温至350℃焙烧30min，焙烧后热压，热压温度为250℃，压力为6 kg/cm2，制得气体扩散层，微孔层中憎水剂含量为20%，气体扩散层的微孔层平整无裂纹，和基底层结合紧密。
实施例3
一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
（1）基底层预处理：将碳纸放在压机上，将图1所示图案的金属网放在将要涂覆微孔层的碳纸一侧上，施加6 kg/cm2的压力形成纹路；将碳纸浸渍在聚四氟乙烯乳液，红外光线照射干燥，反复浸渍多次，直到碳纸聚四氟乙烯含量为5%；
（2）微孔层浆料配制：先将聚乙烯醇溶于水中，浓度为10%，将聚乙烯醇水溶液加入到水和乙醇的混合溶剂中，再加入60%聚四氟乙烯乳液，搅拌，混合均匀，加入Vulcan XC-72碳粉，机械搅拌，超声形成均匀一致的微孔层浆料；
（3）气体扩散层制备：将微孔层浆料涂覆在步骤（1）中预处理后的碳纸上，直到碳粉载量达到1.5 mg/cm2；在红外线照射下干燥后，290℃焙烧30min，随后升温至350℃焙烧30min，焙烧后热压，热压温度为250℃，压力为6 kg/cm2，制得气体扩散层，微孔层中憎水剂含量为20%，气体扩散层的微孔层平整无裂纹，和基底层结合紧密。
实施例4
一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
（1）基底层预处理：将碳纸放在压机上，将图2所示图案的金属网放在将要涂覆微孔层的碳纸一侧上，施加6 kg/cm2的压力形成纹路；将碳纸浸渍在聚四氟乙烯乳液中，红外光线照射干燥，反复浸渍多次，直到碳纸聚四氟乙烯含量为8%；
（2）微孔层浆料配制：先将聚乙烯醇溶于水中，浓度为10%，将聚乙烯醇水溶液加入到水和乙醇的混合溶剂中，再加入60%聚四氟乙烯乳液，搅拌，混合均匀，加入Vulcan XC-72碳粉，机械搅拌，超声形成均匀一致的微孔层浆料；
（3）气体扩散层制备：将微孔层浆料涂覆在步骤（1）中预处理后的碳纸上，直到碳粉载量达到2.5mg/cm2；在红外线照射下干燥后，290℃焙烧30min，随后升温至350℃焙烧30min，焙烧后热压，热压温度为250℃，压力为6 kg/cm2，制得气体扩散层，微孔层中憎水剂含量为20%，气体扩散层的微孔层平整无裂纹，和基底层结合紧密。
对比例1
一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
（1）基底层预处理：将碳纸浸渍在聚四氟乙烯乳液，红外光线照射干燥，反复浸渍多次，直到碳纸聚四氟乙烯含量为5%；
（2）微孔层浆料配制：将Vulcan XC-72碳粉加入到水和乙醇的混合溶剂中，再加入60%聚四氟乙烯乳液，搅拌，混合均匀，机械搅拌，超声形成均匀一致的浆料；
（3）气体扩散层制备：将浆料涂覆在前处理的碳纸上，直到碳粉载量达到2.5mg/cm2；在红外光线照射下干燥后，290℃焙烧30min，再升温至350℃焙烧30min，制得气体扩散层，微孔层中憎水剂含量为20%，微孔层有裂纹，容易脱落。
对比例1与实施例1-4的区别在于：（1）对比例1没有在基底层表面形成特定图案的纹路，使基底层表面具有一定的粗糙度；（2）对比例1没有加入成膜剂聚乙烯醇或聚乙二醇；（3）对比例1中气体扩散层制备时焙烧后没有进行热压处理。
从图3看出，对比例1制备的气体扩散层电池性能较差，推测这是由于对比例1由于没进行上述的操作，微孔层与基底层结合不紧密，微孔层脱落，使得本申请气体扩散层的耐久性变差，使扩散层水管理功能下降，电池性能较差，实施例制备的气体扩散层电池性能较好，微孔层与基地层结合紧密，能够很好的进行水管理，电池性能较好。
本发明在基底层预处理时对基底层进行表面粗糙化处理，增加微孔层涂层和基底层的结合度；在微孔层浆料配制时向微孔层浆料中加入成膜剂，可有效防止微孔层在干燥过程中开裂；在气体扩散层制备时对气体扩散层进行热压处理，可增加微孔层和基材的结合度，提高气体扩散层的平整度，通过改进气体扩散层的制备方法提高微孔层和基材结合度，保证微孔层平整无裂纹，防止微孔层的脱落，有助于延长燃料电池的寿命。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）基底层预处理：采用打磨或施加压力在基底层表面形成特定图案的纹路，使基底层表面具有一定的粗糙度，然后将基底层在浓度为1%-10%的憎水剂溶液中浸渍1-10min，并浸渍多次，干燥后在300-400℃下进行焙烧；
（2）微孔层浆料配制：以导电剂、憎水剂、成膜剂为原料，与溶剂混合分散后形成微孔层浆料；
（3）气体扩散层制备：采用涂覆法、丝网印刷或喷涂法将微孔层浆料涂覆在步骤（1）中处理后的基底层上，在300-400℃下焙烧，热压后形成气体扩散层。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述基底层为多孔碳纸或碳布，施加的压力为2-10 kg/cm2。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤（1）和步骤（2）中所述憎水剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物中的一种或几种混合。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述导电剂为碳材料，包括活性碳、石墨化碳或碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述成膜剂为聚乙烯醇、聚乙二醇中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述微孔层浆料中的溶剂为水、乙二醇、异丙醇、正丙醇、乙醇中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述气体扩散层中导电剂载量为1-4mg/cm2。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤（1）中预处理后基底层中憎水剂的含量为3%-10%，步骤（2）中微孔层浆料中憎水剂的含量为10%-40%。
9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的干燥方式为自然晾干、40-70℃热风干燥或红外线照射干燥。
10.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤（3）中热压处理时的温度为200-300℃，压力为2-10 kg/cm2。
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