CN114023978A - 一种气体扩散层基材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气体扩散层基材及其制备方法和应用，所述制备方法包括如下步骤：将聚合物原材料的粉料进行压制和挤出，再进行双向拉伸和碳化，得到所述气体扩散层基材。本发明所述方法制备的气体扩散层基材厚度较薄，标准偏差小，孔径分布均匀，横向拉伸强度和纵向拉伸强度高，结构稳定性优异。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种气体扩散层基材的制备方法。
背景技术
现有的商用气体扩散层基材以碳纸为主，另有少数厂家的碳布。无论是碳纸还是碳布，其厚度都超过100μm，厚度公差超过10μm。在目前工业化的膜电极中，气体扩散层的厚度是最厚的，常用的气体扩散层都在200微米左右。为了进一步提高电堆的体积功率密度，降低气体扩散层的厚度是目前的重要工作。
CN109830703A公开了一种聚合物基气体扩散层片材及制备方法。包括如下制备过程：(1)将聚合物基材、纳米硅酮粉、导电剂、碳纤维、聚合铝、氯化钙加入溶剂中，分散均匀制得涂布浆液；(2)将涂布浆液连续刮涂于离型薄膜，干燥后剥离离型薄膜，得到聚合物基膜；(3)将聚合物基膜浸入硫酸钠和硅酸的复合液体，然后取出、陈化、洗涤、干燥，最后拉伸定型，制得聚合物基气体扩散层片材。其公开的方法将聚合物、无机化合物的融合，使得气体扩散层兼具刚性和抗冲击性，制得的气体扩散层片材不变形、不断裂，易于气体自由扩散，具有优异的疏水性。
CN109817994A公开了一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法。包括如下制备过程：(1)将裹覆发泡剂的氯化钠分为三个粒径等级的颗粒；(2)将大粒径颗粒、碳纤维、聚合物、木质纤维、分散剂混合得到A料；(3)将中粒径颗粒、多孔碳黑、聚合物、分散剂混合得到B料；(4)将小粒径颗粒、石墨、石墨烯、聚合物、分散剂混合得到C料；(5)将A料、B料、C料制成微发泡共挤膜；(6)将微发泡共挤膜浸水清洗，得到燃料电池梯度气体扩散层碳膜。其公开的方法实现了连续可控制备具有梯度空隙的碳膜，对催化剂具有良好的支撑性，同时可有效阻止催化剂的损失和水淹，保证了气体和水的快速传输，提升了使用性能。
目前有采用石墨烯、碳纳米管、炭黑等直接制备气体扩散层，可以降低气体扩散层的厚度，但是该气体扩散层的拉伸强度太低，无法应用于车用燃料电池，只能使用在一些小型燃料电池实验器件上。
因此，开发一种制备厚度薄且结构稳定性优异的气体扩散层材料的方法至关重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种气体扩散层基材的制备方法，本发明所述方法制备的气体扩散层基材厚度较薄，标准偏差小，孔径分布均匀，横向拉伸强度和纵向拉伸强度高，结构稳定性优异。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，一种气体扩散层基材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将聚合物原材料的粉料进行压制和挤出，再进行双向拉伸和碳化，得到所述气体扩散层基材。
本发明所述通过双向拉伸和连续碳化一体化加工工艺，降低基材的厚度和提高基材孔径的均匀性，并且提升基材的横向拉升强度以及纵向拉伸强度，进一步提升了基材整体的结构稳定性。
优选地，所述聚合物原材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚醚砜、聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇缩甲醛或聚氯乙烯中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括：聚乙烯和聚丙烯的组合，聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯和聚碳酸酯的组合，聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯和聚乙烯醇缩甲醛的组合等，进一步优选聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯。
优选地，所述压制的压力为3-5MPa，例如3.5MPa、4MPa、4.5MPa等。
优选地，所述压制的时间为20-40min，例如25min、30min、35min等。
优选地，所述挤出的压力为5-10MPa，例如6MPa、7MPa、8MPa、9MPa等。
优选地，所述双向拉伸时，纵拉温度为80-120℃，例如85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃等。
优选地，所述双向拉伸时，纵拉倍率为2-8倍，例如3倍、4倍、5倍、6倍、7倍等。
优选地，所述双向拉伸时，横拉温度为60-100℃，例如65℃、70℃、80℃、85℃、90℃、95℃等。
优选地，所述双向拉伸时，横拉倍率为5-15倍，例如6倍、8倍、10倍、12倍、14倍等。
优选地，所述碳化温度为700-1200℃，例如800℃、900℃、1000℃、1100℃等。
第二方面，本发明提供一种气体扩散层基材，所述气体扩散层基材由第一方面所述的方法制备得到。
第三方面，本发明提供一种燃料电池，所述燃料电池包括第二方面所述的气体扩散层基材。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明所述方法制备的气体扩散层基材厚度较薄，标准偏差小，孔径分布均匀，横向拉伸强度和纵向拉伸强度高，结构稳定性优异。本发明所述方法制备的气体扩散层基材的厚度在35-96μm之间，厚度标准偏差在4.9μm以内，平均孔径在1.3-5.1μm之间，横向拉伸强度在36.1MPa以上，纵向拉伸强度在35.4MPa以上。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种气体扩散层基材，所述气体扩散层基材的制备方法包括如下步骤：
胚体准备：取100g聚丙烯粉体(购于宁波宸铭塑化有限公司，牌号为HT9025M)，经过干燥，通过压制，压制压力为3MPa，压制时间为20min，采用圆形口模，挤出压力为5MPa。
拉伸和碳化：纵拉温度80℃，纵拉倍率为4倍；横拉温度80℃，横拉倍率为8倍，将拉伸过的卷材，通过连续式碳化炉，碳化温度800℃，得到气体扩散层基材。
实施例2
本实施例提供一种气体扩散层基材，所述气体扩散层基材的制备方法包括如下步骤：
胚体准备：取100g聚乙烯粉体(购于东莞海瑟胶原料有限公司，牌号为2420H)，经过干燥，通过压制，压制压力为3MPa，压制时间为20min，采用圆形口模，挤出压力为5MPa。
拉伸和碳化：纵拉温度80℃，纵拉倍率为6倍；横拉温度80℃，横拉倍率为10倍，将拉伸过的卷材，通过连续式碳化炉，碳化温度800℃，得到气体扩散层基材。
实施例3
本实施例提供一种气体扩散层基材，所述气体扩散层基材的制备方法包括如下步骤：
胚体准备：取100g聚偏氟乙烯粉体(购于上海玉宴新材料有限公司，牌号为Solef6020)，经过干燥，通过压制，压制压力为3MPa，压制时间为20min，采用圆形口模，挤出压力为5MPa。
拉伸和碳化：纵拉温度80℃，纵拉倍率为4倍；横拉温度80℃，横拉倍率为8倍，将拉伸过的卷材，通过连续式碳化炉，碳化温度1000℃，得到气体扩散层基材。
实施例4
本实施例提供一种气体扩散层基材，所述气体扩散层基材的制备方法包括如下步骤：
胚体准备：取100g聚四氟乙烯粉体(购于东莞海瑟胶原料有限公司，牌号为Dupont-MP1300)，经过干燥，通过压制，压制压力为3MPa，压制时间为20min，采用圆形口模，挤出压力为5MPa。
拉伸和碳化：纵拉温度80℃，纵拉倍率为8倍；横拉温度80℃，横拉倍率为12倍，将拉伸过的卷材，通过连续式碳化炉，碳化温度1000℃，得到气体扩散层基材。
实施例5-7
实施例5-7与实施例1的区别在于纵拉温度分别为120℃(实施例5)、60℃(实施例6)和140℃(实施例7)，其余均与实施例1相同。
实施例8-11
实施例8-11与实施例1的区别在于纵拉倍率分别为2倍(实施例8)、8倍(实施例9)、1倍(实施例10)和10倍(实施例11)，其余均与实施例1相同。
实施例12-15
实施例12-15与实施例1的区别在于横拉温度分别为60℃(实施例12)、100℃(实施例13)、40℃(实施例14)和120℃(实施例15)，其余均与实施例1相同。
实施例16-19
实施例16-19与实施例1的区别在于横拉倍率分别为5倍(实施例16)、15倍(实施例17)、3倍(实施例18)和16倍(实施例19)，其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种商用碳纸，购于上海河森电气有限公司，牌号为东丽060。
性能测试
将实施例1-19和对比例1进行如下测试：
(1)平均厚度：取样品裁切成5×5cm，进行9个点的厚度测试，计算平均厚度；
(2)厚度标准偏差：根据9个点的厚度，计算厚度标准偏差；
(3)平均孔径：取10g样品，采用压汞仪，进行3次孔径测试，计算平均值；
(4)横向拉伸强度：将样品横向裁切成1×7cm的长条试样，采用万能试验机，取5次有效数据，计算平均值；
(5)纵向拉伸强度：将样品纵向裁切成1×7cm的长条试样，采用万能试验机，取5次有效数据，计算平均值。
测试结果汇总于表1中。
表1
分析表1数据可知，本发明所述方法制备的气体扩散层基材的厚度在35-96μm之间，厚度标准偏差在4.9μm以内，平均孔径在1.3-5.1μm之间，横向拉伸强度在36.1MPa以上，纵向拉伸强度在35.4MPa以上，本发明所述方法制备的气体扩散层基材厚度较薄，标准偏差小，孔径分布均匀，横向拉伸强度和纵向拉伸强度高，结构稳定性优异。
分析对比例1与实施例1可知，对比例1性能不如实施例1，证明本发明所述方法制备的气体扩散层基材比现有商用碳纸的性能更佳。
分析实施例5-7与实施例1可知，实施例6-7性能不如实施例1和5，实施例6平均孔径偏低，实施例7平均孔径偏高，证明纵拉温度在80-120℃范围内形成的气体扩散层基材性能更佳。
分析实施例8-11可知，实施例10-11不如实施例8-9，实施例10厚度标准偏差偏大，实施例11平均孔径偏大，证明纵拉倍率在2-8倍范围内形成的气体扩散层基材性能更佳。
分析实施例12-15可知，实施例14-15不如实施例12-13，实施例14厚度标准偏差偏大，实施例15平均孔径偏大，证明横拉温度在60-100℃范围内形成的气体扩散层基材性能更佳。
分析实施例16-19可知，实施例18-19不如实施例16-17，实施例18厚度标准偏差偏大，实施例19平均孔径偏大，证明横拉倍率在5-15倍范围内形成的气体扩散层基材性能更佳。
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种气体扩散层基材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：将聚合物原材料的粉料进行压制和挤出，再进行双向拉伸和碳化，得到所述气体扩散层基材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合物原材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚醚砜、聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇缩甲醛或聚氯乙烯中的任意一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为3-5MPa；
优选地，所述压制的时间为20-40min。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述挤出的压力为5-10MPa。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述双向拉伸时，纵拉温度为80-120℃；
优选地，所述双向拉伸时，纵拉倍率为2-8倍。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述双向拉伸时，横拉温度为60-100℃。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述双向拉伸时，横拉倍率为5-15倍。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述碳化温度为700-1200℃。
9.一种气体扩散层基材，其特征在于，所述气体扩散层基材由权利要求1-8任一项所述的方法制备得到。
10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括权利要求9所述的气体扩散层基材。
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