CN113488662A - 一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层及制备方法，所述气体扩散层包括多孔导电基材和导电碳粉微孔层，涉及燃料电池领域；燃料电池气体扩散层基底层经疏水剂处理，具有沿气流方向逐渐提高的疏水梯度；燃料电池气体扩散层微孔层由导电碳粉和疏水材料制成，在结构上有沿气流方向逐渐增加的疏水梯度和孔隙梯度。本发明设计的沿气流方向增加的疏水梯度和孔隙梯度可有效增加燃料电池气流进口方向的保湿能力和气流出口方向的排水效率，一方面保证气流进口方向质子膜的充分润湿，另一方面防止气流出口方向的水淹，提高整个燃料电池内部的水平衡，提高电池的输出性能。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层及制备方法。
背景技术
燃料电池是一种利用效率高且环境友好的能源，将燃料中的化学能直接转化为电能，具有清洁、高效的优点，是21世纪最重要的能源技术。
质子交换膜燃料电池由端板、流场板、密封圈、气体扩散层、催化层、质子交换膜等组成。其中气体扩散层的位置处于膜电极和流场板之间，主要起到支撑膜电极和提供气体通道和排水通道的作用。质子交换膜燃料电池工作时，在电池的阴极处质子和氧气会反应生成水，水会通过催化层流向气体扩散层，因此气体扩散层需要具备一定的疏水性，促进反应生成的水能够排出电池内部。
随着燃料电池技术的发展，对燃料电池单电池功率密度的输出有越来越高的要求，而燃料电池内部水管理对燃料电池的功率输出有直接的影响。目前车用燃料电池堆中燃料电池单电池面积大，沿气体流动方向的尺寸较长，因此沿气流方向，单电池内部存在水汽分布不均匀的情况，气流进口处生成的水被气流带到出口处，在气流出口出容易造成水汽堆积，造成水淹，导致单电池功率密度下降。通过气体扩散层的结构设计改善这一问题，对提高燃料电池单电池功率密度有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，解决燃料电池单电池内部水分布不均的问题。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，包括基底层和微孔层；所述基底层经疏水剂处理，所述基底层的疏水性梯度在沿气流方向逐渐增加，疏水梯度在5％-20％之间；所述微孔层由导电碳粉和疏水材料制成，所述微孔层具有孔隙，所述孔隙的孔隙梯度在沿气流方向逐渐增加，所述微孔层的疏水性梯度在沿气流方向逐渐增加，疏水梯度在15％-40％之间。
作为优选，沿气流方向，所述基底层在气流流道进口处的疏水性梯度控制在5％-10％之间，所述基底层在气流流道中间段的疏水性梯度控制在5％-15％之间，所述基底层在气流流道出口处的疏水性梯度控制在10％-20％之间。
作为优选，沿气流方向，所述微孔层疏水剂的比例为微孔层质量分数的15-20％，气体扩散层中间位置的疏水剂比例为微孔层质量分数的20％-30％，靠近气流出口处微孔层疏水剂的比例为微孔层质量分数的25％-40％。
发明的第二个目的是提供一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层的制备方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，对多孔导电基材进行标记，根据需要的气流流经方向标记气流进口和气流出口，其中所述多孔导电基材包括碳纸和碳布；
步骤二，将所述多孔导电基材全部浸泡在稀释后的PTFE乳液中，保持1-2min，随后取出，控干多余的浸泡液，置于烘箱中完全烘干，烘箱温度为80-120℃；
步骤三，将所述多孔导电基材的气流出口方向浸入稀释后的PTFE乳液中，浸入位置到约三分之二位置处，保持1-2min，随后取出，控干多余的浸泡液，置于烘箱中完全烘干，烘箱温度为80-120℃；
步骤四，将多孔导电基材的气流出口方向浸入稀释后的PTFE乳液中，浸入位置到约三分之一位置处，保持1-2min，随后取出，控干多余的浸泡液，置于烘箱中完全烘干，烘箱温度为80-120℃；经三步式浸泡得到气体扩散层基底层沿气流方向逐步增加的疏水梯度，进口处疏水梯度控制在2％-10％之间，中间段疏水梯度控制在5％-15％之间，出口处疏水梯度控制在10％-20％之间；
步骤五，在基底层上涂覆碳浆形成微孔层。
作为优选，所述碳浆由溶剂、分散剂、碳粉、疏水剂、成孔剂组成。
作为优选，所述碳粉包括碳黑、碳纤维、活性碳、碳纳米管、石墨、氧化石墨、还原氧化石墨、石墨烯、富勒烯中的一种或多种。
作为优选，所述疏水剂为聚四氟乙烯乳液、四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物乳液、聚偏氟乙烯乳液、聚三氟氯乙烯悬浮液中的一种或几种的混合物。
作为优选，所述成孔剂为碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸锂中的一种或者多种。
作为优选，所述分散剂为可溶型淀粉、海藻酸钠，琼胶、阿拉伯胶、黄蓍胶、瓜尔胶、卡拉胶、果胶、卡拉胶、明胶、干酪素、壳聚糖、黄原胶、结冷胶、透明质酸、羧甲基纤维素钠，羟丙基甲基纤维素，羟乙基纤维素，羟丙基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚马来酸酐、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸及其共聚物、聚丙烯酰胺、聚乙烯胺中的一种或者多种。
作为优选，所述微孔层的制备方法包含以下步骤：
步骤A，准备三种不同成分比例的碳浆：第一种碳浆的疏水剂比例最低且不含成孔剂，疏水剂比例为15-20％；第二种碳浆的疏水剂比例适中且包含一定比例的成孔剂，疏水剂比例为20％-30％，成孔剂质量为碳粉质量的0％-50％；第三种碳浆的疏水剂比例最高且包含较高比例的成孔剂，疏水剂比例为25％-40％，成孔剂质量为碳粉质量的25％-100％；
步骤B，将基底层按照梯度方向放置，将第一种碳浆涂敷在进口端，第二种碳浆涂敷在中间部分，第三种碳浆涂敷在出口段，碳浆厚度为25-50μm；
步骤C，涂敷完成放置在烘箱中烘干，烘箱温度设定在50-120℃；
步骤D，烘干完成后放置在烧结炉中进行30min高温烧结，烧结温度设定在350-380℃，随后降至室温并取出。
本发明的有益效果：本发明公开了一种可均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，可优化全尺寸单电池内部的水汽分布，提升单电池的功率密度。
附图说明
图1是本发明实施例中气体扩散层的结构示意图；
图中：1-基底层，2-微孔层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后，可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
实施例：如图1所示，一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，包括基底层1和微孔层2。基底层1经疏水剂处理，基底层1的疏水性梯度在沿气流方向逐渐增加，且疏水梯度在5％-20％之间。其中在沿气流方向，基底层1在气流流道进口处的疏水性梯度控制在2％-10％之间，基底层1在气流流道中间段的疏水性梯度控制在5％-15％之间，基底层1在气流流道出口处的疏水性梯度控制在10％-20％之间。
微孔层2由导电碳粉和疏水材料制成，微孔层2具有孔隙，孔隙的孔隙梯度在沿气流方向逐渐增加，微孔层2的疏水性梯度在沿气流方向逐渐增加，疏水梯度在15％-40％之间。其中在沿气流方向，微孔层2疏水剂的比例为微孔层2质量分数的15-20％，气体扩散层中间位置的疏水剂比例为微孔层2质量分数的20％-30％，靠近气流出口处微孔层2疏水剂的比例为微孔层2质量分数的25％-40％。
微孔层本身具有微孔结构，能够帮助电池内部的气体和水快速传输。研究表明，碳载量的大小、疏水剂PTFE的含量、不同的孔径大小和分布对于微孔层的性能起主要作用。通常情况下，微孔层是由含碳浆料覆盖在碳纤维纸或者碳纤维毡上，经过加热烧结后所形成的。含碳浆料主要成分是导电碳黑、疏水剂聚四氟乙烯(PTFE)乳液、有机溶剂、去离子水等。常见微孔层中的碳有XC-72碳黑、乙炔黑、碳纳米管等，所使用的有机溶剂一般有乙醇，乙二醇，异丙醇，正丙醇等。研究表明，提高MPL中疏水剂的含量和孔隙率可以提高GDL的排水能力，在GDL的MPL侧设计沿进口向出口方向逐渐提高的疏水梯度和孔隙结构能够有效的改善单电池内部的水分布，使得气流进口处有一定的保湿能力，气流出口处有较强的排水能力。
一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，对多孔导电基材进行标记，根据需要的气流流经方向标记气流进口和气流出口，其中多孔导电基材包括碳纸和碳布；
步骤二，将所述多孔导电基材全部浸泡在稀释后的PTFE乳液中，保持1-2min，随后取出，控干多余的浸泡液，置于烘箱中完全烘干，烘箱温度为80-120℃；
步骤三，将所述多孔导电基材的气流出口方向浸入稀释后的PTFE乳液中，浸入位置到约三分之二位置处，保持1-2min，随后取出，控干多余的浸泡液，置于烘箱中完全烘干，烘箱温度为80-120℃；
步骤四，将多孔导电基材的气流出口方向浸入稀释后的PTFE乳液中，浸入位置到约三分之一位置处，保持1-2min，随后取出，控干多余的浸泡液，置于烘箱中完全烘干，烘箱温度为80-120℃；经三步式浸泡得到气体扩散层基底层1沿气流方向逐步增加的疏水梯度，进口处疏水梯度控制在2％-10％之间，中间段疏水梯度控制在5％-15％之间，出口处疏水梯度控制在10％-20％之间；
步骤五，在基底层1上涂覆碳浆形成微孔层2。
其中碳浆由溶剂、分散剂、碳粉、疏水剂、成孔剂混合组成；
碳粉包括碳黑、碳纤维、活性碳、碳纳米管、石墨、氧化石墨、还原氧化石墨、石墨烯、富勒烯中的一种或多种。
疏水剂包括聚四氟乙烯乳液、四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物乳液、聚偏氟乙烯乳液、聚三氟氯乙烯悬浮液中的一种或多种的混合物。
成孔剂包括碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸锂中的一种或者多种。
分散剂包括可溶型淀粉、海藻酸钠，琼胶、阿拉伯胶、黄蓍胶、瓜尔胶、卡拉胶、果胶、卡拉胶、明胶、干酪素、壳聚糖、黄原胶、结冷胶、透明质酸、羧甲基纤维素钠，羟丙基甲基纤维素，羟乙基纤维素，羟丙基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚马来酸酐、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸及其共聚物、聚丙烯酰胺、聚乙烯胺中的一种或者多种。
其中微孔层的制备方法包含以下步骤：
步骤A，准备三种不同成分比例的碳浆：第一种碳浆的疏水剂比例最低且不含成孔剂，疏水剂比例为15-20％；第二种碳浆的疏水剂比例适中且包含一定比例的成孔剂，疏水剂比例为20％-30％，成孔剂质量为碳粉质量的10％-50％；第三种碳浆的疏水剂比例最高且包含较高比例的成孔剂，疏水剂比例为25％-40％，成孔剂质量为碳粉质量的25％-100％；
步骤B，将基底层1按照梯度方向放置，将第一种碳浆涂敷在进口端，第二种碳浆涂敷在中间部分，第三种碳浆涂敷在出口段，碳浆厚度为25-50μm；
步骤C，涂敷完成放置在烘箱中烘干，烘箱温度设定在50-120℃；
步骤D，烘干完成后放置在烧结炉中进行30min高温烧结，烧结温度设定在350-380℃，随后降至室温并取出。
Claims (10)
1.一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，其特征在于：包括基底层(1)和微孔层(2)；所述基底层(1)经疏水剂处理，所述基底层(1)的疏水性梯度在沿气流方向逐渐增加，疏水梯度在5％-20％之间；所述微孔层(2)由导电碳粉和疏水材料制成，所述微孔层(2)具有孔隙，所述孔隙的孔隙梯度在沿气流方向逐渐增加，所述微孔层(2)的疏水性梯度在沿气流方向逐渐增加，疏水梯度在15％-40％之间。
2.根据权利要求1所述的一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，其特征在于：沿气流方向，所述基底层(1)在气流流道进口处的疏水性梯度控制在5％-10％之间，所述基底层(1)在气流流道中间段的疏水性梯度控制在5％-15％之间，所述基底层(1)在气流流道出口处的疏水性梯度控制在10％-20％之间。
3.根据权利要求1所述的一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，其特征在于：沿气流方向，所述微孔层(2)疏水剂的比例为微孔层(2)质量分数的15-20％，气体扩散层中间位置的疏水剂比例为微孔层(2)质量分数的20％-30％，靠近气流出口处微孔层(2)疏水剂的比例为微孔层(2)质量分数的25％-40％。
4.一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，对多孔导电基材进行标记，根据需要的气流流经方向标记气流进口和气流出口，其中所述多孔导电基材包括碳纸和碳布；
步骤二，将所述多孔导电基材全部浸泡在稀释后的PTFE乳液中，保持1-2min，随后取出，控干多余的浸泡液，置于烘箱中完全烘干，烘箱温度为80-120℃；
步骤三，将所述多孔导电基材的气流出口方向浸入稀释后的PTFE乳液中，浸入位置到约三分之二位置处，保持1-2min，随后取出，控干多余的浸泡液，置于烘箱中完全烘干，烘箱温度为80-120℃；
步骤四，将多孔导电基材的气流出口方向浸入稀释后的PTFE乳液中，浸入位置到约三分之一位置处，保持1-2min，随后取出，控干多余的浸泡液，置于烘箱中完全烘干，烘箱温度为80-120℃；经三步式浸泡得到气体扩散层基底层(1)沿气流方向逐步增加的疏水梯度，进口处疏水梯度控制在2％-10％之间，中间段疏水梯度控制在5％-15％之间，出口处疏水梯度控制在10％-20％之间；
步骤五，在基底层(1)上涂覆碳浆形成微孔层(2)。
5.根据权利要求4所述的一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，其特征在于：所述碳浆由溶剂、分散剂、碳粉、疏水剂、成孔剂组成。
6.根据权利要求5所述的一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，其特征在于：所述碳粉包括碳黑、碳纤维、活性碳、碳纳米管、石墨、氧化石墨、还原氧化石墨、石墨烯、富勒烯中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，其特征在于：所述疏水剂包括聚四氟乙烯乳液、四氟乙烯与六氟丙烯的共聚物乳液、聚偏氟乙烯乳液、聚三氟氯乙烯悬浮液中的一种或多种。
8.根据权利要求5所述的一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，其特征在于：所述成孔剂包括碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸锂中的一种或者多种。
9.根据权利要求5所述的一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，其特征在于：所述分散剂包括可溶型淀粉、海藻酸钠，琼胶、阿拉伯胶、黄蓍胶、瓜尔胶、卡拉胶、果胶、卡拉胶、明胶、干酪素、壳聚糖、黄原胶、结冷胶、透明质酸、羧甲基纤维素钠，羟丙基甲基纤维素，羟乙基纤维素，羟丙基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚马来酸酐、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸及其共聚物、聚丙烯酰胺、聚乙烯胺中的一种或者多种。
10.根据权利要求4所述的一种均衡燃料电池内部水平衡的气体扩散层，其特征在于，所述微孔层(2)的制备方法包含以下步骤：
步骤A，准备三种不同成分比例的碳浆：第一种碳浆的疏水剂比例最低且不含成孔剂，疏水剂比例为15-20％；第二种碳浆的疏水剂比例适中且包含一定比例的成孔剂，疏水剂比例为20％-30％，成孔剂质量为碳粉质量的10％-50％；第三种碳浆的疏水剂比例最高且包含较高比例的成孔剂，疏水剂比例为25％-40％，成孔剂质量为碳粉质量的25％-100％；
步骤B，将基底层(1)按照梯度方向放置，将第一种碳浆涂敷在进口端，第二种碳浆涂敷在中间部分，第三种碳浆涂敷在出口段，碳浆厚度为25-50μm；
步骤C，涂敷完成放置在烘箱中烘干，烘箱温度设定在50-120℃；
步骤D，烘干完成后放置在烧结炉中进行30min高温烧结，烧结温度设定在350-380℃，随后降至室温并取出。
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