CN114142047A - 一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法 - Google Patents

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CN114142047A CN202111429649.1A CN202111429649A CN114142047A CN 114142047 A CN114142047 A CN 114142047A CN 202111429649 A CN202111429649 A CN 202111429649A CN 114142047 A CN114142047 A CN 114142047A
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李冰
明平文
楚天阔
杨代军
张存满
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本发明涉及一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)对炭纸进行疏水处理，然后真空干燥，得到疏水炭纸；(2)将高温可分解固体无机盐分散于第一溶剂中，得到浆料A，使浆料A填充于所得疏水炭纸的孔洞中，得到疏水炭纸a；(3)取第一碳粉、疏水剂、造孔剂分散于第二溶剂中，得到浆料B，然后将浆料B涂覆于疏水炭纸a上，得到疏水炭纸b；(4)取第二碳粉、粘结剂分散于第三溶剂中，得到浆料C，将浆料C涂覆于疏水炭纸b上，得到疏水炭纸c；(5)将疏水炭纸c焙烧，即得目的产物。与现有技术相比，本发明气体扩散层气体传输能力较好，接触电阻减小，可保障膜电极的性能和耐久性，且工艺简单，便于实现。

Description

一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法。
背景技术
随着全球能源及环境问题日益严重，高效、环境友好、清洁的新能源技术被认为是21世纪最有发展潜力的新技术。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)不受卡诺循环限制，在航天、交通、固定电站等领域有着广泛的应用前景。PEMFC主要由双极板、气体扩散层(GDL)、催化剂层、质子交换膜等构成。其中，GDL是其最重要的部件之一，起着支撑催化剂层、收集电流、提供气体、电子和排水等通道的作用。PEMFC工作时往往不可避免地会出现液态水，液态水有可能堵塞GDL与催化剂层的孔隙通道，阻碍反应物传输，且过量的液态水会形成“水淹”，导致其性能下降。因此，开发高透气性、工序简单，便于批量化制备气体扩散层的方法，对于推动质子交换膜燃料电池的发展和商业化应用具有重大意义。
申请号为“201810201559.9”的专利“一种膜电极用扩散层及其制备方法”利用电化学方法对扩散层基底进行表面修饰后进行微孔层涂敷，该方法可改善高电流密度下的传质能力和水淹现象，但工艺要求复杂，不适于批量化制备；申请号为“201910373844.3”的专利“面向高电流密度的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法”，通过焙烧增加微孔层表明的裂纹，提高气体扩散层的水管理能力，进而提高电池性能，但裂纹的增加导致表面粗糙度增大，接触电阻也随之增大，影响燃料电池电堆的性能及耐久性，降低其使用寿命。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，以克服现有技术中气体扩散层透气性较差、接触电阻较大或制备工艺复杂等缺陷。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供了一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
(1)对炭纸进行疏水处理，然后真空干燥，得到疏水炭纸；
(2)将高温可分解固体无机盐分散于第一溶剂中，得到浆料A，使浆料A填充于所得疏水炭纸的孔洞中，得到疏水炭纸a；
(3)取第一碳粉、疏水剂、造孔剂分散于第二溶剂中，得到浆料B，然后将所得浆料B涂覆于疏水炭纸a上，得到疏水炭纸b；
(4)取第二碳粉、粘结剂分散于第三溶剂中，得到浆料C，将所得浆料C涂覆于疏水炭纸b上，得到疏水炭纸c；
(5)将所得疏水炭纸c焙烧，即得目的产物。
进一步的，步骤(1)中，疏水处理过程为：
将炭纸固定，然后使聚四氟乙烯乳液(PTFE乳液)多次滤透炭纸，即完成疏水处理。
更进一步的，所述PTFE乳液的浓度为1～30wt％。
更进一步的，滤透时间为0.5～5h。
更进一步的，使用滤透式疏水处理装置对炭纸进行疏水处理。
更进一步的，所述滤透式疏水处理装置包括：
用于盛放PTFE乳液的罐体：所述罐体的顶部设有喷淋头；
位于罐体内部且用于放置炭纸的支撑架：所述罐体位于所述支撑架的下方设有真空泵接口；
位于罐体外部的循环泵：所述循环泵将PTFE乳液由罐体的底部循环输送至罐体顶部。
更进一步的，使用滤透式疏水处理装置对炭纸进行疏水处理时，将炭纸置于滤透式疏水处理装置的支撑架上，开启真空泵，抽至负压，将PTFE乳液放入罐体中，开启循环泵，将PTFE乳液从罐体底部输送至罐体顶部，然后PTFE乳液经罐体顶部的喷淋头喷洒至炭纸上，并滤透炭纸，如此循环进行。
更进一步的，所述负压为-0.09～-0.01MPa。
进一步的，步骤(1)中，真空干燥压力为-0.09MPa，真空干燥温度为100℃，真空干燥时间为2h。
进一步的，步骤(2)中，所述高温可分解固体无机盐为氯化铵、草酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵中的一种或多种。
进一步的，步骤(2)中，所述第一溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、聚乙二醇、乙醇水溶液、正丙醇水溶液、异丙醇水溶液、正丁醇水溶液、乙二醇水溶液、聚乙二醇水溶液、冰醋酸、环己醇、叔丁醇或丙三醇。
进一步的，步骤(2)中，所述高温可分解固体无机盐与第一溶剂的质量比为1：(1～50)。
进一步的，步骤(2)中，通过超声、磁力搅拌或机械搅拌使将高温可分解固体无机盐分散于第一溶剂中。
进一步的，步骤(2)中，利用喷涂、刮涂或真空浸润使浆料A填充于疏水炭纸的孔洞内。
进一步的，步骤(3)中，所述第一碳粉为XC-72碳粉、石墨化XC-72、乙炔黑、炭黑BP-2000、导电炭黑EC300J或导电炭黑EC600JD。
进一步的，步骤(3)中，所述疏水剂为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)或四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)。
进一步的，步骤(3)中，所述造孔剂为草酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵、氯化钠、氯化钾、甲酰胺、乙酰胺、丙二醇、聚乙二醇或丙三醇。
进一步的，步骤(3)中，所述第二溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、乙醇水溶液、正丙醇水溶液、异丙醇水溶液、正丁醇水溶液或乙二醇水溶液。
进一步的，步骤(3)中，所述第一碳粉、疏水剂、造孔剂以及第二溶剂的质量比为1:(0.1～0.5):(0.1～2):(10～50)。
进一步的，步骤(3)中，通过超声、磁力搅拌或机械搅拌的方式使第一碳粉、疏水剂、造孔剂分散于第二溶剂中。
进一步的，步骤(3)中，利用喷涂、丝印或者刮涂的方式将浆料B涂覆在疏水炭纸a上。
进一步的，步骤(4)中，所述第二碳粉为XC-72碳粉、石墨化XC-72、乙炔黑、炭黑BP-2000、导电炭黑EC300J或导电炭黑EC600JD。
进一步的，步骤(4)中，所述的粘结剂为nafion溶液。
更进一步的，所述nafion溶液的浓度为5wt％。
进一步的，步骤(4)中，所述第三溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇中的一种或多种混合而成的溶剂。
进一步的，步骤(4)中，所述第二碳粉、粘结剂及第三溶剂的质量比为1:(0.01～0.2):(10～50)。
进一步的，步骤(4)中，通过超声、磁力搅拌或机械搅拌的方式使第二碳粉、粘结剂分散于第三溶剂中。
进一步的，步骤(4)中，利用喷涂、丝印或者涂布的方法将浆料C涂覆在疏水炭纸b上。
进一步的，步骤(5)中，焙烧过程为：
先在250℃下焙烧0.5h，然后在360℃下焙烧2h。
进一步的，步骤(5)中，焙烧过程在马弗炉中进行。
本发明气体扩散层生产过程的原理图请参见图1，先对炭纸进行疏水处理得到疏水炭纸，以提高气体扩散层对气体的透过率，疏水处理过程中，PTFE乳液在重力和负压作用下均匀的透过炭纸；然后对疏水炭纸进行填充，可减少后续微孔层浆料涂覆过程浆料A进入疏水炭纸内部堵塞孔洞，以提高气体扩散层的透气性，使其具有更优的气体传输能力；接着依次涂覆微孔层、结合层，结合层可提高气体扩散层与催化层的结合强度，降低接触电阻，保障膜电极的性能和耐久性；最后通过焙烧使填充的高温可分解固体无机盐分解，即得具有高透气性的气体扩散层。本发明高透气性气体扩散层的组成结构请参见图2，包括炭纸基底层1、微孔层2、结合层3。
本发明高透气性气体扩散层制备过程中高温可分解固体无机盐用于填充炭纸孔隙，后期在焙烧高温过程中进行分解，进而形成占位孔；所用疏水剂用于对炭纸进行疏水处理，所用第一碳粉是微孔层的原料，造孔剂用于在微孔层中形成占位孔；所用第二碳粉是结合层的主要原料，所用粘结剂使第二碳粉与炭纸结合。
本发明焙烧过程设置了两段温度，第一段的温度主要针对溶剂和造孔剂的不同挥发或分解温度，第二阶段的温度主要针对PTFE的熔融固化温度。
本发明高透气性气体扩散层制备过程中限制了PTFE乳液的浓度，若PTFE乳液浓度过高，会导致疏水处理过程中炭纸基材内部疏水剂分布不均，影响疏水处理效果及最终所得气体扩散层的电性能；若浓度过低，则会导致疏水处理时间过长，效率低下。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的制备方法，利用滤透式疏水处理炭纸，大大缩短了疏水处理时间，提高了PTFE在炭纸内部分布的均一性；
(2)本发明通过对疏水处理后炭纸的填充减少了微孔层浆料涂覆过程进入炭纸内部堵塞孔洞，提高了气体扩散层的透气性，使其具有更优的气体传输能力；
(3)本发明通过增加结合层，提高了气体扩散层和催化层的结合强度，降低接触电阻，保障了膜电极的性能和耐久性；
(4)本发明制备方法工艺简单，便于实现，适合气体扩散层的批量化制备及商业化应用。
附图说明
图1为本发明气体扩散层生产过程原理图；
图2为本发明气体扩散层示意图；
图3为本发明所使用的滤透式疏水处理装置简易图；
图4为实施例1-2和对比例1-3单电池性能曲线对比图。
图中标记说明：
1-炭纸基底层、2-微孔层、3-结合层、4-炭纸基材、5-真空压力表、6-真空泵接口、7-PTFE乳液、8-喷淋头、9-支撑架、10-罐体、11-循环泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
以下各实施例中，所使用的滤透式疏水处理装置可通过搭建而成，该装置的示意图请参见图3，其包括：
用于盛放PTFE乳液7的罐体10：所述罐体10的顶部设有喷淋头8；
位于罐体10内部且用于放置炭纸基材4的支撑架9：所述罐体10位于所述支撑架9的下方设有真空泵接口6，所述真空泵接口6处还设有真空压力表5；
位于罐体10外部的循环泵11：所述循环泵11将PTFE乳液7由罐体10的底部循环输送至罐体10顶部。
更进一步的，使用滤透式疏水处理装置对炭纸基材4进行疏水处理时，将炭纸基材4置于滤透式疏水处理装置的支撑架9上，开启真空泵，抽至负压，将PTFE乳液7放入罐体10中，开启循环泵11，将PTFE乳液7从罐体10底部输送至罐体10顶部，然后PTFE乳液7经罐体10顶部的喷淋头8喷洒至炭纸基材4上，并滤透炭纸基材4，如此循环进行。
以下各实施例中，所用石墨化XC-72购自百灵威。
以下各实施例中，所用的四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物购自国药化学试剂有限公司。
以下各实施例中，所用CCM购买自鸿基创能有限公司，型号为SER350。
实施例1：
一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：炭纸的滤透式疏水处理及干燥：将炭纸置于滤透式疏水处理装置的支撑架上，开启真空泵，抽至压力为-0.05MPa，将超声分散配制的5wt％的PTFE乳液放入罐体中，开启循环泵，循环滤透30min，取出炭纸置于真空烘箱中，-0.09MPa 100℃干燥2h。
步骤(2)：炭纸孔洞的填充：按照氯化铵与正丙醇质量比为1：10配制填充溶液，磁力搅拌和超声分散处理得到浆料，利用真空处理装置将疏水处理后的炭纸抽真空浸润至填充溶液中，浸润10min，取出简单面干至无液体流出，即完成炭纸孔洞的填充。
步骤(3)：微孔层的制备：按照XC-72碳粉、PTFE、草酸铵及异丙醇质量比为1：0.4：0.5：20配制微孔层浆料，经机械搅拌和超声分散处理得到浆料，喷涂至步骤(2)所得炭纸表面，直至碳粉担载量为2mg/cm2。
步骤(4)：结合层浆料的配制及涂覆：按照乙炔黑碳粉、5wt％nafion溶液及异丙醇质量比为1:0.1:40配制结合层浆料，超声分散，喷涂至微孔层表面，直至净增碳粉担载量达到0.25mg/cm2。
步骤(5)：高温焙烧：将涂覆好的气体扩散层置于马弗炉中，先250℃焙烧0.5h，360℃焙烧2h，即制备好气体扩散层。
将制备好气体扩散层进行透气度测试，使用仪器为美国Gurley-4340N全自动透气度测试仪，测得其透气度为1.8s/100ml。
将制备好的气体扩散层与自制CCM热压制成膜电极，两侧分别加上阴阳极石墨双极板、集流板和端板，组成单电池，测试电池性能曲线，参见图4。
实施例2：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，使用冰醋酸作为炭纸孔洞填充溶液。
一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：炭纸的滤透式疏水处理及干燥：将炭纸置于滤透式疏水处理装置支撑架上，开启真空泵，抽至压力为-0.05MPa，将超声分散配制的5wt％的PTFE乳液放入罐体中，开启循环泵，循环滤透30min，取出炭纸置于真空烘箱中，-0.09MPa 100℃干燥2h。
步骤(2)：炭纸孔洞的填充：使用冰醋酸作为填充溶液，利用真空处理装置将疏水处理后的炭纸抽真空浸润至填充溶液中，同时控温30～35℃，浸润10min，取出简单面干至无液体流出，将炭纸快速降温至5～10℃，炭纸表面可见颗粒状白色晶体，即完成炭纸孔洞的填充。
步骤(3)：微孔层的制备：按照XC-72碳粉、PTFE、草酸铵及异丙醇质量比为1：0.4：0.5：20配制微孔层浆料，经机械搅拌和超声分散处理得到浆料，喷涂至炭纸表面，喷涂过程中控制炭纸温度为5～10℃，直至喷涂结束，最终达到碳粉担载量为2mg/cm2。
步骤(4)：结合层浆料的配制及涂覆：按照乙炔黑碳粉、5wt％nafion溶液及异丙醇质量比为1：0.1：40配制结合层浆料，超声分散，喷涂至微孔层表面，直至净增碳粉担载量达到0.25mg/cm2。
步骤(5)：高温焙烧：将涂覆好的气体扩散层置于马弗炉中，先250℃焙烧0.5h，然后360℃焙烧2h，即制备好气体扩散层。
将制备好气体扩散层进行透气度测试，使用仪器为美国Gurley-4340N全自动透气度测试仪，测得其透气度为3.1s/100ml。
将制备好的气体扩散层与自制CCM热压制成膜电极，两侧分别加上阴阳极石墨双极板、集流板和端板，组成单电池，测试电池性能曲线，参见图4。
实施例3：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将氯化铵改为等质量的草酸铵。
实施例4：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将氯化铵改为等质量的碳酸铵。
实施例5：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将氯化铵改为等质量的碳酸氢铵。
实施例6：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将氯化铵改为氯化铵、碳酸铵以及碳酸氢铵的混合物，氯化铵、碳酸铵以及碳酸氢铵的质量比为1：1：1，该混合物的质量与实施例1中氯化铵的质量相同。
实施例7：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的乙醇。
实施例8：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的异丙醇。
实施例9：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的正丁醇。
实施例10：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的乙二醇。
实施例11：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的聚乙二醇。
实施例12：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的乙醇水溶液，乙醇与水的体积比为1：1。
实施例13：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的正丙醇水溶液，正丙醇与水的体积比为1：1。
实施例14：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的异丙醇水溶液，异丙醇与水的体积比为1：1。
实施例15：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的正丁醇水溶液，正丁醇与水的体积比为1：1。
实施例16：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的乙二醇水溶液，乙二醇与水的体积比为1：1。
实施例17：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的聚乙二醇水溶液，聚乙二醇与水的体积比为1：1。
实施例18：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的环己醇。
实施例19：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的叔丁醇。
实施例20：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将正丙醇改为等质量的丙三醇。
实施例21：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将质量比为1：10改为质量比为1：1。
实施例22：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将质量比为1：10改为质量比为1：50。
实施例23：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将XC-72碳粉改为等质量的石墨化XC-72。
实施例24：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将XC-72碳粉改为等质量的乙炔黑。
实施例25：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将XC-72碳粉改为等质量的炭黑BP-2000。
实施例26：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将XC-72碳粉改为等质量的导电炭黑EC300J。
实施例27：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将XC-72碳粉改为等质量的导电炭黑EC600JD。
实施例28：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将PTFE改为等质量的聚偏氟乙烯。
实施例29：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将PTFE改为等质量的四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物。
实施例30：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将草酸铵改为等质量的碳酸氢铵。
实施例31：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将草酸铵改为等质量的碳酸铵。
实施例32：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将草酸铵改为等质量的氯化钠。
实施例33：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将草酸铵改为等质量的氯化钾。
实施例34：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将草酸铵改为等质量的甲酰胺。
实施例35：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将草酸铵改为等质量的乙酰胺。
实施例36：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将草酸铵改为等质量的丙二醇。
实施例37：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将草酸铵改为等质量的聚乙二醇。
实施例38：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将草酸铵改为等质量的丙三醇。
实施例39：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的乙醇。
实施例40：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的正丙醇。
实施例41：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的正丁醇。
实施例42：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的乙二醇。
实施例43：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的乙醇水溶液，乙醇与水的体积比为1：1。
实施例44：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的正丙醇水溶液，正丙醇与水的体积比为1：1。
实施例45：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的异丙醇水溶液，异丙醇与水的体积比为1：1。
实施例46：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的正丁醇水溶液，正丁醇与水的体积比为1：1。
实施例47：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的乙二醇水溶液，乙二醇与水的体积比为1：1。
实施例48：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将质量比为1：0.4：0.5：20改为质量比为1：0.1：0.1：10。
实施例49：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将质量比为1：0.4：0.5：20改为质量比为1：0.5：2：50。
实施例50：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将乙炔黑碳粉改为等质量的XC-72碳粉。
实施例51：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将乙炔黑碳粉改为等质量的石墨化XC-72。
实施例52：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将乙炔黑碳粉改为等质量的炭黑BP-2000。
实施例53：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将乙炔黑碳粉改为等质量的导电炭黑EC300J。
实施例54：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将乙炔黑碳粉改为等质量的导电炭黑EC600JD。
实施例55：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的乙醇。
实施例56：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的正丙醇。
实施例57：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的正丁醇。
实施例58：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为等质量的乙二醇。
实施例59：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将异丙醇改为乙醇、正丙醇、异丙醇的混合溶剂，乙醇、正丙醇、异丙醇的体积比为1：1：1，该混合溶剂的质量与实施例1异丙醇的质量相同。
实施例60：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将质量比为1:0.1:40改为质量比为1:0.01:10。
实施例61：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将质量比为1:0.1:40改为质量比为1:0.2:50。
实施例62：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将5wt％的PTFE乳液改为1wt％的PTFE乳液。
实施例63：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将5wt％的PTFE乳液改为30wt％的PTFE乳液。
实施例64：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将循环滤透30min改为循环滤透5h。
实施例65：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本实施例中，将循环滤透30min改为循环滤透2h。
对比例1：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本对比例中，省去了炭纸孔洞的填充这一步骤。
一种燃料电池用气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：炭纸的滤透式疏水处理及干燥：将炭纸置于滤透式疏水处理装置支撑架上，开启真空泵，抽至压力为-0.05MPa，将超声分散配制的5wt％的PTFE乳液放入罐体中，开启循环泵，循环滤透30min，取出炭纸置于真空烘箱中，-0.09MPa100℃干燥2h。
步骤(2)：微孔层的制备：按照XC-72碳粉、PTFE、草酸铵及异丙醇质量比为1:0.4:0.5:20配制微孔层浆料，经机械搅拌和超声分散处理得到浆料，喷涂至炭纸表面，最终达到碳粉担载量为2mg/cm2。
步骤(3)：结合层浆料的配制及涂覆：按照乙炔黑碳粉、5wt％nafion溶液及异丙醇质量比为1：0.1：40配制结合层浆料，超声分散，喷涂至微孔层表面，直至净增碳粉担载量达到0.25mg/cm2。
步骤(4)：高温焙烧：将涂覆好的气体扩散层置于马弗炉中，先250℃焙烧0.5h，然后360℃焙烧2h，即得制备好气体扩散层。
将制备好气体扩散层进行透气度测试，使用仪器为美国Gurley-4340N全自动透气度测试仪，测得其透气度为16.4s/100ml。
将制备好的阴、阳极气体扩散层与自制CCM热压制成膜电极，两侧分别加上阴阳极石墨双极板、集流板和端板，组成单电池，测试电池性能曲线，参见图4。
对比例2：
与实施例1相比，绝大部分均相同，除了本对比例中，省去了结合层的涂覆。
一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：炭纸的滤透式疏水处理及干燥：将炭纸置于滤透式疏水处理装置支撑架上，开启真空泵，抽至压力为-0.05MPa，将超声分散配制的5wt％的PTFE乳液放入罐体中，开启循环泵，循环滤透30min，取出炭纸置于真空烘箱中，-0.09MPa100℃干燥2h。
步骤(2)：炭纸孔洞的填充：按照氯化铵与正丙醇质量比为1:10配制填充溶液，磁力搅拌和超声分散处理得到浆料，利用真空处理装置将疏水处理后的炭纸抽真空浸润至填充溶液中，浸润10min，取出简单面干至无液体流出，即完成炭纸孔洞的填充。
步骤(3)：微孔层的制备：按照XC-72碳粉、PTFE、草酸铵及异丙醇质量比为1:0.4:0.5:20配制微孔层浆料，经机械搅拌和超声分散处理得到浆料，喷涂至炭纸表面，直至碳粉担载量为2mg/cm2。
步骤(4)：高温焙烧：将涂覆好的气体扩散层置于马弗炉中，先250℃焙烧0.5h，然后360℃焙烧2h，即制备好气体扩散层。
将制备好气体扩散层进行透气度测试，使用仪器为美国G urley-4340N全自动透气度测试仪，测得其透气度为2.3s/100ml。
将制备好的气体扩散层与自制CCM热压制成膜电极，两侧分别加上阴阳极石墨双极板、集流板和端板，组成单电池，测试电池性能曲线，参见图4。
对比例3：
利用购置的商业化GDL(德国SGL公司的29BC)，与自制CCM热压制成膜电极，两侧分别加上阴阳极石墨双极板、集流板和端板，组成单电池，测试电池性能曲线，参见图4。
实施例1-2以及对比例1-3的测试结果请参见图4，可得到的结论如下：
实施例1-2所制备得到的气体扩散层的电池性能明显优于对比例1-3；
与对比例3所用商业化GDL比较，本发明气体扩散层的电池性能较优，尤其是在中高电密度下；
与对比例1相比，实施例1和实施例2的透气度及电池性能均更好，表明炭纸疏水处理后对炭纸空洞进行填充的有益效果明显；
与实施例2相比，实施例1的电池性能更好，表明高温固体无机物盐的填充造孔效果优于冰醋酸溶液；
与对比例2相比，实施例1的电池性能更好，表明结合层对于提高气体扩散层的电池性能有益效果明显。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对炭纸进行疏水处理，然后真空干燥，得到疏水炭纸；
(2)将高温可分解固体无机盐分散于第一溶剂中，得到浆料A，使浆料A填充于所得疏水炭纸的孔洞中，得到疏水炭纸a；
(3)取第一碳粉、疏水剂、造孔剂分散于第二溶剂中，得到浆料B，然后将所得浆料B涂覆于疏水炭纸a上，得到疏水炭纸b；
(4)取第二碳粉、粘结剂分散于第三溶剂中，得到浆料C，将所得浆料C涂覆于疏水炭纸b上，得到疏水炭纸c；
(5)将所得疏水炭纸c焙烧，即得目的产物。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，疏水处理过程为：
将炭纸固定，然后使PTFE乳液多次滤透炭纸，即完成疏水处理；
所述PTFE乳液的浓度为1～30wt％；
滤透时间为0.5～5h。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高温可分解固体无机盐为氯化铵、草酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵中的一种或多种；
所述第一溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、聚乙二醇、乙醇水溶液、正丙醇水溶液、异丙醇水溶液、正丁醇水溶液、乙二醇水溶液、聚乙二醇水溶液、冰醋酸、环己醇、叔丁醇或丙三醇。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高温可分解固体无机盐与第一溶剂的质量比为1：(1～50)。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述第一碳粉为XC-72碳粉、石墨化XC-72、乙炔黑、炭黑BP-2000、导电炭黑EC300J或导电炭黑EC600JD；
所述疏水剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述造孔剂为草酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵、氯化钠、氯化钾、甲酰胺、乙酰胺、丙二醇、聚乙二醇或丙三醇；
所述第二溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、乙醇水溶液、正丙醇水溶液、异丙醇水溶液、正丁醇水溶液或乙二醇水溶液。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述第一碳粉、疏水剂、造孔剂以及第二溶剂的质量比为1:(0.1～0.5):(0.1～2):(10～50)。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述第二碳粉为XC-72碳粉、石墨化XC-72、乙炔黑、炭黑BP-2000、导电炭黑EC300J或导电炭黑EC600JD；
所述的粘结剂为5wt％的nafion溶液；
所述第三溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇中的一种或多种混合而成的溶剂。
9.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述第二碳粉、粘结剂及第三溶剂的质量比为1:(0.01～0.2):(10～50)。
10.根据权利要求1所述的一种燃料电池用高透气性气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，焙烧过程为：
先在250℃下焙烧0.5h，然后在360℃下焙烧2h。
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