CN113948719B - 一种透气性高的气体扩散层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明特别涉及一种透气性高的气体扩散层及其制备方法，属于燃料电池技术领域，方法包括：获得压印板，所述压印板的压印面设有槽道；将微孔层浆料涂布于基底层，获得待压印坯料；将所述压印板压印于所述待压印坯料的微孔层浆料，后进行干燥，获得初品；将所述初品进行热处理，获得气体扩散层；通过模板压印在GDL上制备沟槽的方法获得具有疏水结构且孔隙率更高，总孔体积更多的气体扩散层。

Description

一种透气性高的气体扩散层及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种透气性高的气体扩散层及其制备方法。
背景技术
燃料电池因为能量转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式，但是燃料电池的耐久性及高昂的成本是目前制约燃料电池商用化发展的一大瓶颈。燃料电池膜电极是燃料电池电堆的核心部件，它由质子交换膜、催化剂、气体扩散层组成。气体扩散层在其中起到电子传导、收集电流、导气、排水、支撑膜电极的作用。目前影响气体扩散层发展的主要因素为成本及工艺
PEMFC中位于气体扩散层(GDL)基底(如碳纸或碳布)和催化剂层之间的微孔层(MPL) 对PEMFC的水管理和气体传输起着重要的作用，对高电流密度条件下的排水和低电流密度条件下的保水至关重要。一般将MPL与GDL基底共同称为GDL。一方面，MPL可以改善PEMFC的水管理和气体传输，另一方面MPL可以降低GDL与催化剂层之间的接触电阻，并为催化剂层提供良好的机械支撑，限制了催化剂在GDL中的损失。而MPL的性能主要受孔径分布、孔隙率、亲疏水性、电导率等因素影响，而这些因素又由MPL的材料和制备方法所决定。因此，有关MPL材料和制备方法的研究对MPL的发展以及PEMFC性能的提高具有重要意义。
在质子交换膜燃料电池中，为了改善水管理和提高PEMFC性能，通常在气体扩散层和催化层之间插入微孔层(MPL)。微孔层通常由炭黑(如XC-72碳粉)和疏水剂(如聚四氟乙烯) 制成，沉积在GDL表面，与底层碳纸(GDB)形成扩散双层。MPL降低了GDL与催化层之间的接触电阻，为催化层提供机械支撑，防止催化剂颗粒损失和减少水淹，因此，MPL在PEMFC 水管理过程中起关键性作用。
目前关于微孔层的谁管理技术包括：无锡威孚高科技集团股份有限公司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，该方法对基底层进行了预处理，对基底层采用金属网施加压力。该方法容易破坏基底表面。新源动力股份有限公司发明了一种提高燃料电池性能的双层微孔层制备方法，将高导电性材料、造孔剂、疏水剂和分散液通过搅拌的方式配制成成分均匀的第一浆料；将配制好的第一浆料通过丝网印刷的方式涂覆在经疏水处理的碳纸或碳布上形成第一涂覆层；在碳纸或碳布表面再通过喷涂的方式喷涂预设厚度的由高导电性材料、疏水剂和分散液组成的第二浆料，形成第二喷涂层；通过热处理后使其具有疏松多孔且亲疏水性的气体反应通道，该方法使用了丝网印刷和喷涂两种方式来制备微孔层，制备过程较繁琐，且需用到丝网印刷仪器，喷涂仪器等。
发明内容
本申请的目的在于提供一种透气性高的气体扩散层及其制备方法，以用简单的方法实现气体扩散层具有良好的透气性。
本发明实施例提供了一种透气性高的气体扩散层的制备方法，所述方法包括：
获得压印板，所述压印板的压印面设有槽道；
将微孔层浆料涂布于基底层，获得待压印坯料；
将所述压印板压印于所述待压印坯料的微孔层浆料，后进行干燥，获得初品；
将所述初品进行热处理，获得气体扩散层。
可选的，所述槽道的宽度为70μm-80μm，所述槽道的间距为70μm-80μm，所述槽道的深度为8μm-12μm。
可选的，所述将微孔层浆料涂布于基底层，获得待压印坯料，具体包括：
将胶带粘贴于基底层，获得涂布区域；
将所述微孔层浆料涂布于所述涂布区域，获得待压印坯料。
可选的，所述微孔层浆料的涂布厚度与所述胶带的厚度相同。
可选的，所述胶带的厚度为40μm-60μm。
可选的，所述压印的压力为0.5MPa-1MPa，所述压印的保压时间为20s-40s。
可选的，所述干燥温度为60℃-80℃，所述干燥的时间为20min-40min。
可选的，所述热处理的温度为300℃-350℃，所述热处理的保温时间为20min-40min。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种透气性高的气体扩散层，所述气体扩散层由所述的透气性高的气体扩散层的制备方法制得。
可选的，所述气体扩散层包括基底层和微孔浆料层，所述微孔浆料层远离所述基底层的表面设有凹槽，所述凹槽的宽度为70μm-80μm，所述凹槽的间距为70μm-80μm，所述凹槽的深度为8μm-12μm。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明实施例提供的透气性高的气体扩散层的制备方法，所述方法包括：获得压印板，所述压印板的压印面设有槽道；将微孔层浆料涂布于基底层，获得待压印坯料；将所述压印板压印于所述待压印坯料的微孔层浆料，后进行干燥，获得初品；将所述初品进行热处理，获得气体扩散层；通过模板压印在GDL上制备沟槽的方法获得具有疏水结构且孔隙率更高，总孔体积更多的气体扩散层。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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它的附图。
图1是本发明实施例提供的方法的流程图；
图2是本发明实施例1提供的气体扩散层的平面扫描图；
图3是本发明对比例1提供的气体扩散层的平面扫描图。
具体实施方式
下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
根据本发明一种典型的实施方式，提供了一种透气性高的气体扩散层的制备方法，所述方法包括：
S1.获得压印板，所述压印板的压印面设有槽道；
具体而言，制备带有条形槽道的不锈钢模板：选取一块光滑的不锈钢板，利用红外飞秒激光技术在其表面刻蚀70-80μm尺寸的条形槽道，槽道的宽度与间距相等，槽道深度为8-12μm。
控制槽道的宽度为70-80μm能保证微孔层的透气性较好且具有一定的承压强度，该宽度取值过大，则槽道较少，影响整体透气，宽度过小，则微孔层强度低，承压小。
控制槽道的深度为8-12μm能保证微孔层的透气性较好且具有一定的承压强度，该深度取值过大的不利影响是微孔层强度低，承压小，过小的不利影响是透气性降低。
S2.将微孔层浆料涂布于基底层，获得待压印坯料；
本实施例中，微孔层浆料的配制方法包括：选取碳粉(型号XC-72)、PTFE乳液、异丙醇、乙二醇依次放入球磨罐中充分混合，合上密封盖，放入球磨机中进行高速球磨，球磨转速为400rpm/min，球磨时间为3小时，得到微孔层浆料，其中，以重量计，碳粉(型号 XC-72)、PTFE乳液、异丙醇和乙二醇的比例为3:1:20:1。
本实施例中，涂布方法包括：选用厚度为40μm-60μm的胶带将碳纸固定在玻璃板上，用刮刀将球磨均匀的微孔层浆料涂覆在碳纸表面，使浆料表面平整，涂覆厚度与胶带厚度一致。
S3.将所述压印板压印于所述待压印坯料的微孔层浆料，后进行干燥，获得初品；
本实施例中，在涂布好微孔层浆料后，立即将带有槽道的不锈钢模板压印在微孔层浆料表面，借助压片机保压，调节压片机压力在0.5-1MPa,保压20-40s，后放入60-80℃的烘箱中干燥20-40min。最后气体扩散层进行脱模。
控制压力为0.5-1MPa易形成槽道结构GDL且GDL不会过，压力过大，容易使微孔层及碳纸过压缩，过小的不利影响是微孔层无法充分压缩而得到同形状的槽道结构。
S4.将所述初品进行热处理，获得气体扩散层。
本实施例中，将脱模后的气体扩散层放入管式炉中进行热处理，煅烧温度为 300℃-350℃，保温时间20-40分钟，得到槽道结构GDL。
下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请的透气性高的气体扩散层及其制备方法进行详细说明。
实施例1
一种透气性高的气体扩散层的制备方法，步骤如下：
1、制备带有条形槽道的不锈钢模板：选取一块光滑的不锈钢板，利用红外飞秒激光技术在其表面刻蚀75um尺寸的条形槽道，槽道的宽度与间距相等，槽道深度为10um；
2、配制微孔层浆料：选取碳粉(型号XC-72)、PTFE乳液、异丙醇、乙二醇依次放入球磨罐中充分混合，合上密封盖，放入球磨机中进行高速球磨，球磨转速为400rpm/min，球磨时间为3小时，得到微孔层浆料；
3、碳纸表面涂布并压印MPL浆料：选用厚度为50um的胶带将碳纸固定在玻璃板上，用刮刀将球磨均匀的微孔层浆料涂覆在碳纸表面，使浆料表面平整，涂覆厚度与胶带厚度一致，立即将带有槽道的不锈钢模板压印在微孔层浆料表面，借助压片机保压，调节压片机压力在1MPa,保压30s，后放入80℃的烘箱中干燥30min。此时气体扩散层可以脱模。
4、热处理：将脱模后的气体扩散层放入管式炉中进行热处理，煅烧温度为300℃，保温时间20-40分钟，得到槽道结构GDL。
实施例2
一种透气性高的气体扩散层的制备方法，步骤如下：
1、制备带有条形槽道的不锈钢模板：选取一块光滑的不锈钢板，利用红外飞秒激光技术在其表面刻蚀80um尺寸的条形槽道，槽道的宽度与间距相等，槽道深度为12um；
2、配制微孔层浆料：选取碳粉(型号XC-72)、PTFE乳液、异丙醇、乙二醇依次放入球磨罐中充分混合，合上密封盖，放入球磨机中进行高速球磨，球磨转速为400rpm/min，球磨时间为3小时，得到微孔层浆料；
3、碳纸表面涂布并压印MPL浆料：选用厚度为60um的胶带将碳纸固定在玻璃板上，用刮刀将球磨均匀的微孔层浆料涂覆在碳纸表面，使浆料表面平整，涂覆厚度与胶带厚度一致，立即将带有槽道的不锈钢模板压印在微孔层浆料表面，借助压片机保压，调节压片机压力在1MPa,保压40s，后放入80℃的烘箱中干燥30min。此时气体扩散层可以脱模。
4、热处理：将脱模后的气体扩散层放入管式炉中进行热处理，煅烧温度为300℃，保温时间20-40分钟，得到槽道结构GDL。
实施例3
一种透气性高的气体扩散层的制备方法，步骤如下：
1、制备带有条形槽道的不锈钢模板：选取一块光滑的不锈钢板，利用红外飞秒激光技术在其表面刻蚀70um尺寸的条形槽道，槽道的宽度与间距相等，槽道深度为8um；
2、配制微孔层浆料：选取碳粉(型号XC-72)、PTFE乳液、异丙醇、乙二醇依次放入球磨罐中充分混合，合上密封盖，放入球磨机中进行高速球磨，球磨转速为400rpm/min，球磨时间为3小时，得到微孔层浆料；
3、碳纸表面涂布并压印MPL浆料：选用厚度为40um的胶带将碳纸固定在玻璃板上，用刮刀将球磨均匀的微孔层浆料涂覆在碳纸表面，使浆料表面平整，涂覆厚度与胶带厚度一致，立即将带有槽道的不锈钢模板压印在微孔层浆料表面，借助压片机保压，调节压片机压力在1MPa,保压20s，后放入60℃的烘箱中干燥40min。此时气体扩散层可以脱模。
4、热处理：将脱模后的气体扩散层放入管式炉中进行热处理，煅烧温度为300℃，保温时间20-40分钟，得到槽道结构GDL。
对比例1
一种气体扩散层的制备方法，步骤如下：
1、配制微孔层浆料：选取碳粉(型号XC-72)、PTFE乳液、异丙醇、乙二醇依次放入球磨罐中充分混合，合上密封盖，放入球磨机中进行高速球磨，球磨转速为400rpm/min，球磨时间为3小时，得到微孔层浆料；
2、碳纸表面涂布并压印MPL浆料：选用厚度为50um的胶带将碳纸固定在玻璃板上，用刮刀将球磨均匀的微孔层浆料涂覆在碳纸表面，使浆料表面平整，涂覆厚度与胶带厚度一致，立即将光滑的不锈钢模板压印在微孔层浆料表面，借助压片机保压，调节压片机压力在1MPa,保压30s，后放入80℃的烘箱中干燥30min。此时气体扩散层可以脱模。
3、热处理：将脱模后的气体扩散层放入管式炉中进行热处理，煅烧温度为300℃，保温时间20-40分钟，得到槽道结构GDL。
实验例
将实施例1和对比例1制得的气体扩散层进行压汞仪测试及接触角测试，结果如下表所示。
总孔体积 孔隙率
实施例1 1.538 69.8
对比例1 1.501 69.2
由上表可得，采用本申请实施例提供的方法制得的气体扩散层的孔隙率和总孔体积均大于对比例1，且实施例1提供的气体扩散层相比于对比例1提供的气体扩散层表面更加疏水，因此使用带槽道的压印板压印获得的气体扩散层具有更多的孔和更好的透气性。
附图2-3的详细说明：
如图2所示，为实施例1提供的气体扩散层的平面扫描图，由图可以看出75um的钢板压印后在GDL表面形成了宽约为75um的沟槽；
如图3所示，为对比例1提供的气体扩散层的平面扫描图，由图可以看出，光滑的钢板压印出来的GDL表面无沟槽，且表面并不平整。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少还具有如下技术效果或优点：
(1)本发明实施例提供的方法在碳纸上制备微孔层从而形成气体扩散层，制备过程简单；
(2)本发明实施例提供的方法不需要大型设备即可以制备性能较好的气体扩散层，制备成本低；
(3)本发明实施例提供的方法可以通过控制胶带厚度获得具有固定微孔层厚度的GDL；
(4)本发明实施例提供的方法制备的GDL具有更高的孔体积和孔隙率，有利于提升气体扩散层的水气传输。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种透气性高的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
获得压印板，所述压印板的压印面设有槽道；
将胶带粘贴于基底层，获得涂布区域；
将微孔层浆料涂布于所述涂布区域，获得待压印坯料；
将所述压印板压印于所述待压印坯料的微孔层浆料，后进行干燥，获得初品；
将所述初品进行热处理，获得气体扩散层；
所述微孔层浆料的涂布厚度与所述胶带的厚度相同，所述压印的压力为0.5MPa-1MPa，所述压印的保压时间为20s-40s，所述气体扩散层包括基底层和微孔浆料层，所述微孔浆料层远离所述基底层的表面设有凹槽，所述凹槽的宽度为70μm-80μm，所述凹槽的间距为70μm-80μm，所述凹槽的深度为8μm-12μm。
2.根据权利要求1所述的透气性高的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述胶带的厚度为40μm-60μm。
3.根据权利要求1所述的透气性高的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述干燥温度为60℃-80℃，所述干燥的时间为20min-40min。
4.根据权利要求1所述的透气性高的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为300℃-350℃，所述热处理的保温时间为20min-40min。
5.一种透气性高的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层由如权利要求1至4 中任意一项所述的透气性高的气体扩散层的制备方法制得。
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