CN113991127A - 一种质子交换膜燃料电池气体扩散层及其制备方法 - 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气体扩散层及其制备方法。本发明的气体扩散层包括基材和涂覆在基材上的微孔层，所述微孔层包括n层，其中n为不小于2的整数，靠近所述基材的记为第一层微孔层，远离所述基材的记为第n层微孔层，所述第一层微孔层的孔径最大，所述第n层微孔层的孔径最小，第一层~第n层所述微孔层的孔径依次递减，并且所述第一层微孔层的厚度小于其余n‑1层微孔层的厚度之和，所述微孔层的总厚度为10‑50μm。本发明通过第一层过渡层减小微孔层和基材的界面电阻，多层微孔层的孔截面为梯度孔，避免基材大孔直接过渡到微孔层的小孔，从而增强气体扩散层的气体传输和排水能力，提高电池性能。

Description

一种质子交换膜燃料电池气体扩散层及其制备方法
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气体扩散层及其制备方法。
背景技术
在燃料电池发电时，阳极发生氢气氧化反应产生质子和电子，产生的电子经外电路达到阴极，产生的质子通过质子交换膜传递到阴极，阴极氧气得到电子并和质子反应生成水。生成的水需要通过气体扩散层迅速排出，如果气体扩散层不能将水快速排出，会导致催化层水淹，影响反应的进一步进行。气体扩散层排水是通过孔进行排水，孔径大小影响排水效果。基材的孔径较大，微孔层的孔径较小，由小孔直接过渡到大孔会影响排水效果。
另外，微孔层浆料与基材表面的润湿性会影响微孔层和基材的结合效果，如果浆料和基材表面的润湿性不好，则会增大微孔层和基材的界面电阻。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供一种质子交换膜燃料电池气体扩散层及其制备方法，本发明气体扩散层中第一层微孔层的厚度小于后面几层的厚度之和，通过第一层过渡层减小微孔层和基材的界面电阻；多层微孔层的孔截面为梯度孔，靠近基材一端的孔径大于梯度孔另一端的孔径，避免基材大孔直接过渡到微孔层的小孔，有利于液态水排出，从而增强气体扩散层的气体传输能力和排水能力，提高电池性能。
为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：
一方面，本发明实施例提供了一种质子交换膜燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层包括基材和涂覆在所述基材上的微孔层，所述微孔层包括n层，其中n为不小于2的整数，靠近所述基材的记为第一层微孔层，远离所述基材的记为第n层微孔层，所述第一层微孔层的孔径最大，所述第n层微孔层的孔径最小，第一层~第n层所述微孔层的孔径依次递减，并且所述第一层微孔层的厚度小于其余n-1层微孔层的厚度之和，所述微孔层的总厚度为10-50 μm。
另一方面，本发明实施例提供了一种质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、基材的疏水处理：将基材用憎水剂溶液浸渍后置于50-120℃烘箱干燥5-30 min，重复上述操作多次直到基材中憎水剂的含量为5%-10%，然后在马弗炉中200-300℃焙烧10-120 min，再升温至350-400℃焙烧10-120min；
步骤S2、配制微孔层浆料：以导电剂、憎水剂、表面活性剂、造孔剂和溶剂为原料配制微孔层浆料，所述微孔层浆料中憎水剂的质量含量为10%-60%；
步骤S3、将步骤S2得到的微孔层浆料涂覆在步骤S1疏水处理后的基材上，在马弗炉中200-300℃焙烧10-120 min，再升温至350-400℃焙烧10-120min，形成气体扩散层。
进一步地，所述憎水剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚丙烯中的一种。
进一步地，所述基材为碳纸或碳布。
进一步地，所述导电剂为碳材料，所述碳材料为活性碳、石墨化碳及碳纳米管、碳纤维及石墨粉中的一种或几种。
进一步地，所述表面活性剂为非离子表面活性剂。
进一步地，所述溶剂为水、乙二醇、异丙醇、正丙醇、乙醇中的至少一种。
进一步地，所述微孔层浆料采用辊式涂布法涂覆在疏水处理后的基材上。
进一步地，所述造孔剂为热挥发性物质、水溶性盐类或热分解有机物中的一种。
进一步地，所述热挥发性物质为碳酸氢铵、氯化铵、硝酸铵中的一种；
所述水溶性盐类为碳酸钠、硫酸钠、氯化钠、碳酸钾、硫酸钾及氯化钾中的一种；
所述热分解有机物为聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
（1）本发明制备的气体扩散层孔结构均匀、导电性好、表面均匀平整。
（2）本发明制备的气体扩散层能够减小微孔层和基材之间的界面电阻。
（3）本发明制备的气体扩散层中形成有过渡层，避免基材大孔直接过渡到微孔层的小孔，有利于液态水排出。
附图说明
图1是本发明包含多层微孔层的气体扩散层的结构示意图。
图2是实施例1和对比例1制备的气体扩散层组装成单电池的极化曲线。
附图标记说明：1-基材；2-微孔层。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种质子交换膜燃料电池气体扩散层，包括基材1和涂覆在所述基材上的微孔层2，所述微孔层包括两层，靠近所述基材的记为第一层微孔层，远离所述基材的记为第二层微孔层，所述第一层微孔层的最可几孔孔径为10 μm，所述第二层微孔层的最可几孔孔径为120 nm，第一层微孔层的厚度为10 μm，第二层微孔层的厚度为30 μm。
上述质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法包括以下步骤：
步骤S1、将碳纸用质量分数为1%的PTFE乳液浸渍，置于70℃烘箱干燥0.5h后称重，重复多次直到碳纸中PTFE的含量为5%，然后在马弗炉中290℃焙烧30min，再升温至350℃焙烧30min；
步骤S2、第一层微孔层浆料：将200g去离子水、4g曲拉通X-100、20g XC-72炭黑、14g质量分数为60%的PTFE乳液及1g聚乙烯醇混合在一起，机械搅拌2h，再进行超声，形成均匀一致的浆料，将浆料采用辊式涂布法涂覆在步骤S1的碳纸上，涂布后在70℃烘箱干燥30min后，290℃焙烧30min，再升温至350℃焙烧30min，第一层微孔层PTFE含量为30%，微孔层厚度为10 μm。
步骤S3、第二层微孔层浆料：将200g去离子水、4g曲拉通X-100、20g XC-72炭黑及14g质量分数为60%的PTFE乳液混合在一起，机械搅拌2h，再进行超声形成均匀一致的浆料，将浆料采用辊式涂布法涂覆在第一层微孔层上，涂布后在70℃烘箱干燥0.5h后，290℃焙烧30min，再升温至350℃焙烧30min，形成第二层微孔层，微孔层中PTFE含量为30%，第二层微孔层中不加入造孔剂聚乙烯醇，形成约120 nm的孔，微孔层厚度为30 μm。
实施例2
一种质子交换膜燃料电池气体扩散层，包括基材1和涂覆在所述基材上的微孔层2，所述微孔层包括三层，靠近所述基材的记为第一层微孔层，远离所述基材的记为第三层微孔层，第一层微孔层的最可几孔孔径为10μm，第二层微孔层的最可几孔孔径为1μm，第三层微孔层的最可几孔孔径为120 nm，第一层微孔层的厚度为10 μm，第二层微孔层的厚度为10 μm，第三层微孔层的厚度为20 μm。
所述质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法包括以下步骤：
步骤S1、将碳纸用质量分数为1%的PTFE乳液浸渍，置于70℃烘箱干燥30min后称重，重复多次直到碳纸中PTFE含量为5%，然后在马弗炉中290℃焙烧30min，再升温至350℃焙烧30min；
步骤S2、第一层微孔层浆料：将200g去离子水、4g曲拉通X-100、20g XC-72炭黑、14g质量分数为60%的PTFE乳液及1g聚乙烯醇混合在一起，机械搅拌2h，再进行超声，形成均匀一致的浆料，将浆料采用辊式涂布法涂覆在步骤S1的碳纸上，涂布后在70℃烘箱干燥0.5h后，290℃焙烧30min，再升温至350℃焙烧30min，第一层微孔层PTFE含量为30%，微孔层厚度为10μm。
步骤S3、第二层微孔层浆料：将200g去离子水、4g曲拉通X-100、20g XC-72炭黑、14g质量分数为60%的PTFE乳液及1g硫酸钠混合在一起，机械搅拌2h，再进行超声，形成均匀一致的浆料，将浆料采用辊式涂布法涂覆在第一层微孔层上，涂布后在70℃烘箱干燥0.5h后，290℃焙烧30min，再升温至350℃焙烧30min，降至室温后取出，将其放在80℃水浴中8小时，使硫酸钠溶于水中，然后干燥，形成第二层微孔层，微孔层中PTFE含量为30%，微孔层厚度为10 μm。
步骤S4、第三层微孔层浆料：将200g去离子水、4g曲拉通X-100、20g XC-72炭黑及14g质量分数为60%的PTFE乳液混合，机械搅拌2h，再进行超声，形成均匀一致的浆料，将浆料采用辊式涂布法涂覆在第二层微孔层上，涂布后在70℃烘箱干燥0.5h后，290℃焙烧30min，再升温至350℃焙烧30min，形成第三层微孔层，微孔层PTFE含量为30%，微孔层厚度为20 μm。
对比例1
一种质子交换膜燃料电池气体扩散层，包括基材1和涂覆在所述基材上的微孔层2，所述微孔层的厚度为40 μm。
所述质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法包括以下步骤：
步骤S1、将碳纸用质量分数为1%的PTFE乳液浸渍，置于70℃烘箱干燥0.5h后称重，重复多次直到碳纸PTFE含量为5%，然后在马弗炉中290℃焙烧30min，再升温至350℃焙烧30min；
步骤S2、将200g去离子水、4g表面活性剂、20g XC-72炭黑及14g质量分数为60%的PTFE乳液混合，机械搅拌2h，再进行超声，形成均匀一致的浆料，将浆料采用辊式涂布法涂覆在步骤S1的碳纸上，涂布后在70℃烘箱干燥0.5h后，290℃焙烧30min，再升温至350℃焙烧30min，其中微孔层PTFE含量为30%，微孔层厚度为40 μm。
表1 实施例1和对比例1中气体扩散层微孔层垂直电阻值比较
比较项目 实施例1 对比例1
垂直电阻/（mΩ·cm<sup>2</sup>） 6.5 11.8
对采用实施例1和对比例1气体扩散层制备的膜电极进行极化曲线测试，其中测试条件为：电池工作温度80℃，阴极空气入口压力为1.0bar，计量比为2.5，相对湿度为50%，阳极空气入口压力为1.1 bar，计量比为1.5，相对湿度为50%，电池工作面积为25cm2。测试结果如图1所示。测试结果表明，实施例1与对比例1相比，由于基材和微孔层之间存在过渡层，具有更小的界面电阻，而且电池性能更高，说明本发明能够很好地改善气体扩散层的水气传输，从而提高电池性能。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层包括基材（1）和涂覆在所述基材上的微孔层（2），所述微孔层包括n层，其中n为不小于2的整数，靠近所述基材的记为第一层微孔层，远离所述基材的记为第n层微孔层，所述第一层微孔层的孔径最大，所述第n层微孔层的孔径最小，第一层~第n层所述微孔层的孔径依次递减，并且所述第一层微孔层的厚度小于其余n-1层微孔层的厚度之和，所述微孔层的总厚度为10-50 μm。
2.权利要求1所述质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、基材的疏水处理：将基材用憎水剂溶液浸渍后置于50-120℃烘箱干燥5-30min，重复上述操作多次直到基材中憎水剂的含量为5%-10%，然后在马弗炉中200-300℃焙烧10-120 min，再升温至350-400℃焙烧10-120min；
步骤S2、配制微孔层浆料：以导电剂、憎水剂、表面活性剂、造孔剂和溶剂为原料配制微孔层浆料，所述微孔层浆料中憎水剂的质量含量为10%-60%；
步骤S3、将步骤S2得到的微孔层浆料涂覆在步骤S1疏水处理后的基材上，干燥后，在马弗炉中200-300℃焙烧10-120 min，再升温至350-400℃焙烧10-120min，形成气体扩散层。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述憎水剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和聚丙烯中的一种。
4.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述基材为碳纸或碳布。
5.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述导电剂为碳材料，所述碳材料为活性碳、石墨化碳及碳纳米管、碳纤维及石墨粉中的一种或几种。
6.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为非离子表面活性剂。
7.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述溶剂为水、乙二醇、异丙醇、正丙醇、乙醇中的至少一种。
8.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述微孔层浆料采用辊式涂布法涂覆在疏水处理后的基材上。
9.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述造孔剂为热挥发性物质、水溶性盐类或热分解有机物中的一种。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述热挥发性物质为碳酸氢铵、氯化铵、硝酸铵中的一种；
所述水溶性盐类为碳酸钠、硫酸钠、氯化钠、碳酸钾、硫酸钾及氯化钾中的一种；
所述热分解有机物为聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯。
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