CN114267845A - 一种燃料电池气体扩散层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池气体扩散层及其制备方法,所述燃料电池气体扩散层的制备方法包括如下步骤:(1)将疏水材料、导电炭黑和溶剂混匀后得到浆料;(2)采用丝网印刷的方式将浆料涂布在碳基底的一侧,经干燥处理,在碳基底上形成一层厚度为5~15μm的第一微孔层;采用直涂的方式将浆料涂于第一微孔层上,经过干燥、烧结后,在第一微孔层上形成厚度为20~40μm的第二微孔层,即制备得到所述燃料电池气体扩散层。本发明的双层微孔层设计,采用丝网印刷制备第一微孔层,再直涂制备第二层微孔层,解决了现有技术中单次成型的微孔层接触电阻大、裂纹影响耐久性及碳基底与微孔层界面间水淹的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池制备技术领域,尤其涉及一种燃料电池气体扩散层及其制备方法。
背景技术
气体扩散层位于催化层和双极板之间,起到支撑催化层、水气传输和电子传递等作用,是燃料电池的关键组件之一。气体扩散层一般为双层结构,包括碳基底和微孔层。微孔层在PEMFC中不仅能增大与催化层的接触面积从而减小接触电阻,同时对气液传输起着非常重要的作用。水通过微孔层后紧接着进入碳基底随后被排入流道,微孔层的存在能减少碳基底中水占据的通道数量,显著降低了水突破时GDL的水饱和度,从而提高在大电流密度时的电池性能。
当微孔层与碳基底之间界面接触不够紧密时,会存在一定的空缺,液态水会在这里发生横向传输,占据更多的通道,影响反应气的传输。申请号为202010459676.2的专利采用打磨或施加压力的方法预处理碳基底以提高碳基底表面粗糙度,从而增加微孔层和碳基底的结合度,但是这种预处理方法会破坏碳基底的孔径结构且影响微孔层的平整度,最终影响气体扩散层的性能。
目前的微孔层制备方法为碳基底一侧涂浆料一次成型,这种工艺制备的气体扩散层存在碳基底与微孔层界面接触不牢固、微孔层较厚时开裂现象严重导致接触电阻大及界面间堵水的问题。
发明内容
针对现有技术不足,本发明的目的在于提出一种燃料电池气体扩散层及其制备方法,解决了目前现有技术中单次成型的微孔层接触电阻大、裂纹影响耐久性及碳基底与微孔层界面间水淹的技术问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种燃料电池气体扩散层的制备方法,包括如下步骤:
(1)将疏水材料、导电炭黑和溶剂混匀后得到浆料;所述疏水材料、导电炭黑和溶剂的质量比为1.4~1.5:5.5~6.5:67~72;
(2)采用丝网印刷的方式将浆料涂布在碳基底的一侧上面,经干燥处理,在碳基底上形成一层厚度为5~15μm的第一微孔层;采用直涂的方式将浆料涂于第一微孔层上,经过干燥、烧结后,在第一微孔层上形成厚度为20~40μm的第二微孔层,即制备得到所述燃料电池气体扩散层。
优选的,步骤(1)所述疏水材料为PTFE、PVDF、PDDA、FEP和ETFE中的至少一种。
优选的,步骤(1)所述导电炭黑为乙炔黑、石墨化碳、超导碳黑和blackpearl碳黑中的至少一种。
优选的,步骤(1)所述溶剂为水、乙二醇、异丙醇和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
优选的,步骤(2)所述碳基底为碳纸、碳纤维编织布或碳纤维无纺布。
优选的,步骤(2)所述丝网印刷的丝印网版的目数为50~400目,印刷次数为1~6次。
优选的,步骤(2)所述干燥的温度均为30~150℃,干燥的时间均为20~180min。
优选的,步骤(2)所述直涂为平面直涂,模头与所述第一微孔层直接的间距为100~400μm。
优选的,步骤(2)所述烧结的温度为250~400℃,所述烧结的时间为20~180min。
上述一种燃料电池气体扩散层的制备方法制备得到的燃料电池气体扩散层。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括:
燃料电池中气体扩散层的主要功能是传输气体、排出反应产物水及导电集流,传统气体扩散层单次成型微孔层存在碳基底与微孔层接触不牢固导致接触电阻大和界面影响导气排水效果、及微孔层较厚时开裂导致耐久性降低的问题,而本发明的双层微孔层设计,使用第一微孔层部分渗入碳基底,再直涂第二层微孔层的方法,通过丝网印刷法给微孔层浆料施加压力精准控制第一微孔层在碳基底上分布和渗入的一致性、并且可以通过调整丝网印刷参数来有效控制第一微孔层的渗入程度,得到的气体扩散层有效减弱碳基底与微孔层之间的界面效应、微孔层表面裂纹减少,提高表面平整度,显著降低气体扩散层接触电阻,减少能量损耗,并提高气体扩散层水气传输能力。与全部用丝网印刷制备微孔层相比,本发明利用直涂方法制备第二微孔层,得益于直涂工艺简单快捷的优点,达到简化制作工艺的目的。并且,与全部丝网印刷制备的微孔层相比,本发明制备得到的气体扩散层在电池中的性能也有所提高。
附图说明
图1为实施例1制备得到的燃料电池气体扩散层的结构示意图。
图2为实施例1和对比例1~2制备的燃料电池气体扩散层的极化曲线图。
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仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例和对比例所述的碳基底为碳纸。
实施例1
一种燃料电池气体扩散层的制备方法,步骤如下:
(1)分别称量6.32g导电碳黑(购买于美国卡伯特公司XC-72R)、1.58g PTFE乳液(购买于上海科慕化学有限公司)、65.19g去离子水和2.21g乙二醇到烧杯中,进行30min超声分散;对超声分散处理后得到的混合物用高速分散机以8000r/min的转速分散2h,即得到微孔层浆料;
(2)将碳基底置于丝网印刷机涂布平台上,选用400目聚酯丝印网版、聚胺脂橡胶刮刀,丝印时刮刀给予碳基底压力,刮刀与碳基底之间的间距为-100μm,丝印6次;将涂有浆料的碳基底放入干燥箱内,30℃干燥180min,制得第一微孔层(厚度为10μm);将涂有第一微孔层的碳基底置于涂布机涂布平台上,利用直涂方式将浆料涂在第一微孔层上,涂布时模头与第一微孔层之间的间距为200μm;最后将涂有浆料的碳基底放入干燥箱内,在30℃下干燥180min;再在400℃下烧结20min,制得第二微孔层,这样就制备得到了燃料电池气体扩散层。
经测试,碳基底的接触电阻为40mΩ·cm@1MPa,带有第一微孔层和第二微孔层的碳基底的接触电阻为52mΩ·cm@1MPa,第一微孔层和第二微孔层的总厚度为35μm。
实施例2
一种燃料电池气体扩散层的制备方法,步骤如下:
(1)分别称量5.93g导电碳黑、1.48g PVDF乳液、72.94g N-甲基吡咯烷酮到烧杯中,进行30min超声分散;对超声分散处理后得到的混合物用高速分散机以8000r/min的转速分散2h,即得到微孔层浆料;
(2)将碳基底置于丝网印刷机涂布平台上,选用50目聚酯丝印网版、聚胺脂橡胶刮刀,丝印时刮刀给予碳基底压力,刮刀与碳基底之间的间距为-80μm,丝印1次;将涂有浆料的碳基底放入干燥箱内,150℃干燥20min,制得第一微孔层(厚度为9μm);将涂有第一微孔层的碳基底置于涂布机涂布平台上,利用直涂方式将浆料涂在第一微孔层上,涂布时模头与第一微孔层之间的间距为300μm;最后将涂有浆料的碳基底放入干燥箱内,150℃下干燥20min;再在250℃下烧结30min,制得第二微孔层,这样就制备得到了燃料电池气体扩散层。
经测试,碳基底的接触电阻为40mΩ·cm@1MPa,带有第一微孔层和第二微孔层的碳基底的接触电阻为53mΩ·cm@1MPa,第一微孔层和第二微孔层的总厚度为45μm。
对比例1
一种燃料电池气体扩散层的制备方法,步骤如下:
(1)分别称量6.32g导电碳黑、1.58g PTFE乳液、65.19g去离子水和2.21g乙二醇到烧杯中,进行30min超声分散;对超声分散处理后得到的混合物用高速分散机以8000r/min的转速分散2h,即得到微孔层浆料;
(2)将碳基底置于涂布机涂布平台上,利用直涂方式将浆料涂在碳基底的一侧,涂布时模头与碳基底之间的间距为280μm;将涂有浆料的碳基底放入干燥箱内,30℃下干燥180min;再在400℃下烧结20min,这样就制备得到了燃料电池气体扩散层。
经测试,碳基底的接触电阻为40mΩ·cm@1MPa,带有微孔层的碳基底的接触电阻为87mΩ·cm@1MPa,微孔层的总厚度为35μm。
对比例2
一种燃料电池气体扩散层的制备方法,步骤如下:
(1)分别称量6.32g导电碳黑、1.58g PTFE乳液、65.19g去离子水和2.21g乙二醇到烧杯中,进行30min超声分散;对超声分散处理后得到的混合物用高速分散机以8000r/min的转速分散2h,即得到微孔层浆料;
(2)将碳基底置于丝网印刷机涂布平台上,选用400目聚酯丝印网版、聚胺脂橡胶刮刀,丝印时刮刀给予碳基底压力,刮刀与碳基底之间的间距为-100μm,丝印6次;将涂有浆料的碳基底放入干燥箱内,在30℃下干燥180min;再在400℃下烧结20min,即制得微孔层A(厚度为10μm);将涂有微孔层A的碳基底置于丝网印刷机涂布平台上,选用200目聚酯丝印网版、聚胺脂橡胶刮刀,丝印时刮刀给予碳基底压力,刮刀与碳基底之间的间距为-10μm,丝印4次得到微孔层B;将涂有浆料的碳基底放入干燥箱内,在30℃下干燥180min;再在400℃下烧结20min,即制得燃料电池气体扩散层。
经测试,碳基底的接触电阻为40mΩ·cm@1MPa,带有微孔层A和B的碳基底的接触电阻为50mΩ·cm@1MPa,微孔层A和B的总厚度为35μm。
图1为实施例1制备得到的燃料电池气体扩散层的结构示意图,其中a为碳基底、b为第一微孔层,c为第二微孔层。
图2为实施例1和对比例1~2制备的燃料电池气体扩散层的极化曲线图,其中,丝印+直涂GDL对应实施例1;直涂GDL对应对比例1;丝印GDL对应对比例2。
由图2可以看出:实施例1较对比例1的性能有明显提升。活化极化段,电池性能的提高得益于更强的气体传输能力,在欧姆极化和浓差极化段,实施例1的性能也优于对比例,这说明具备实施例1制备的微孔层的气体扩散层表现出更小的电阻和更好的排水能力,避免水淹。实施例1具有第一微孔层和第二微孔层的气体扩散层较对比例2的全部用丝网印刷方法制备微孔层的气体扩散层性能基本一致,但后者用丝网印刷制备双微孔层工艺更加繁琐,相较下实施例1有工艺简洁耗时短的优势。
以上所述本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种燃料电池气体扩散层的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将疏水材料、导电炭黑和溶剂混匀后得到浆料;所述疏水材料、导电炭黑和溶剂的质量比为1.4~1.5:5.5~6.5:67~72;
(2)采用丝网印刷的方式将浆料涂布在碳基底的一侧,经干燥处理,在碳基底上形成一层厚度为5~15μm的第一微孔层;采用直涂的方式将浆料涂于第一微孔层上,经过干燥、烧结后,在第一微孔层上形成厚度为20~40μm的第二微孔层,即制备得到所述燃料电池气体扩散层。
2.根据权利要求1所述一种燃料电池气体扩散层的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述丝网印刷的丝印网版的目数为50~400目,印刷次数为1~6次。
3.根据权利要求1所述一种燃料电池气体扩散层的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述干燥的温度均为30~150℃,干燥的时间均为20~180min。
4.根据权利要求1~3任一项所述一种燃料电池气体扩散层的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述烧结的温度为250~400℃,所述烧结的时间为20~180min。
5.根据权利要求1~3任一项所述一种燃料电池气体扩散层的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述直涂为平面直涂,模头与所述第一微孔层直接的间距为100~400μm。
6.根据权利要求1~3任一项所述一种燃料电池气体扩散层的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述疏水材料为PTFE、PVDF、PDDA、FEP和ETFE中的至少一种。
7.根据权利要求1~3任一项所述一种燃料电池气体扩散层的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述导电炭黑为乙炔黑、石墨化碳、超导碳黑和blackpearl碳黑中的至少一种。
8.根据权利要求1~3任一项所述一种燃料电池气体扩散层的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述溶剂为水、乙二醇、异丙醇和N-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
9.根据权利要求1所述一种燃料电池气体扩散层的制备方法,其特征在于,步骤(2)所述碳基底为碳纸、碳纤维编织布或碳纤维无纺布。
10.权利要求1~9任一项所述一种燃料电池气体扩散层的制备方法制备得到的燃料电池气体扩散层。
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