CN114464834A - 一种燃料电池气体扩散层及其制备方法和燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种燃料电池气体扩散层及其制备方法和燃料电池，其中，一种燃料电池气体扩散层包括碳纤维基底层和微孔层，微孔层设置于碳纤维基底层上，微孔层按质量份数计，包括碳黑9份～15份，亲水性聚合物5份～15份，聚四氟乙烯5份～15份，水70份～90份。该气体扩散层包括了亲水性聚合物，提高了气体扩散层的保水效果，使得气体扩散层具备自增湿的功能，亲水性聚合物配合聚四氟乙烯对气体扩散层的疏水，以使该气体扩散层无需设置水冷系统和加湿系统，从而减小了燃料电池自身的空间和重量。

Description

一种燃料电池气体扩散层及其制备方法和燃料电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种燃料电池气体扩散层及其制备方法和燃料电池。
背景技术
氢能源被认为是本世纪最具有开发潜力的清洁能源。质子交换膜氢氧燃料电池是一种新型能源利用方式，质子交换膜氢氧燃料电池可以将燃料的化学能直接转换为电能，所以不受卡诺循环的限制具有功率高、结构简单、操作方便等优点。
燃料电池的组成主要由阴阳极侧的气体扩散层、双极板、催化层和位于中间层的质子交换膜组成。气体扩散层是重要的核心部件之一，具有多种重要功能。气体扩散层主要为反应气提供到催化层的路径，导出在催化层生成的水以及导电导热，支撑催化层等功能。
燃料电池在工作时会产生一定的热量，因此常规的燃料电池会配有水冷系统和加湿系统，水冷系统用来调节电池的温度。这样不仅增加了系统的复杂程度，水冷系统和加湿系统还占用一定燃料电池自身的空间和重量，不利于便携。如何研发一种耐低湿度且具有一定的保水性的气体扩散层成为亟需解决的技术问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种燃料电池气体扩散层及其制备方法和燃料电池，以解决现有技术中的燃料电池需要增加一个水冷系统和加湿系统，从而占用一定燃料电池自身的空间和重量的技术问题。
本发明提供一种燃料电池气体扩散层，包括碳纤维基底层和微孔层，所述微孔层设置于所述碳纤维基底层上，所述微孔层按质量份数计，包括：
Figure BDA0003488615390000011
Figure BDA0003488615390000021
进一步地，所述亲水聚合物包括聚苯胺、聚多巴胺、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、酚醛树脂的一种或多种。
进一步地，所述碳纤维基底层的厚度为0.18mm～0.25mm。
本发明提供一种燃料电池气体扩散层的制备方法，包括：
对碳纤维基底层进行疏水处理；
将碳黑、亲水性聚合物、第一浓度的聚四氟乙烯乳液和水搅拌混合，形成混合浆料；
将所述混合浆料涂覆在经过疏水处理的所述碳纤维基底层上，以得到第一中间体；
所述第一中间体在60～80℃的温度条件下干燥处理，干燥处理时间为10～30min，以得到第二中间体；
所述第二中间体在350～370℃的温度条件下烧结，烧结时间为10～30min，以得到燃料电池气体扩散层。
进一步地，所述第一浓度为30％～50％。
进一步地，经过疏水处理后的所述碳纤维基底层的疏水度为25％～30％。
进一步地，所述对碳纤维基底层进行疏水处理包括：
将所述碳纤维基底层浸渍在第二浓度的所述聚四氟乙烯乳液中，浸渍时间为0.5～10min；
对完成浸渍的所述碳纤维基底层进行干燥处理，干燥处理的温度为50～70℃，干燥处理的时间为8～12min。
进一步地，所述第二浓度为1％～10％。
本发明还提供一种燃料电池，包括上述的燃料电池气体扩散层。
本发明提供的一种电池燃料气体扩散层，包括碳纤维基底层和微孔层，微孔层设置于碳纤维基底层上，微孔层按质量份数计，包括碳黑9份～15份，亲水性聚合物5份～15份，聚四氟乙烯5份～15份，水70份～90份。该气体扩散层包括了亲水性聚合物，提高了气体扩散层的保水效果，使得气体扩散层具备自增湿的功能，亲水性聚合物配合聚四氟乙烯对气体扩散层的疏水，以使该气体扩散层无需设置水冷系统和加湿系统，从而减小了燃料电池自身的空间和重量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中燃料电池气体扩散层的结构示意图；
图2为本发明实施例中添加亲水性聚合物的亲水效果图；
图3为本发明实施例中未添加亲水性聚合物的亲水效果图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，在一些实施例中，一种燃料电池气体扩散层1包括碳纤维基底层2和微孔层3，微孔层3设置于碳纤维基底层2上，微孔层3按质量份数计，包括碳黑9份～15份，亲水性聚合物5份～15份，聚四氟乙烯5份～15份，水70份～90份。该气体扩散层1包括了亲水性聚合物，提高气体扩散层1的保水效果，使得气体扩散层1具备自增湿的功能，亲水性聚合物配合聚四氟乙烯对气体扩散层的疏水，以使该气体扩散层1无需设置水冷系统和加湿系统，从而减小燃料电池自身的空间和重量。
如图2所示，为添加亲水性聚合物的亲水效果图。如图3所示，为未添加亲水性聚合物的亲水效果图。图2的接触角为139.42°，图3的接触角为161°，图2的接触角小于图3的接触角，接触角越小说明亲水效果越好。因此，添加亲水性聚合物后，提高了燃料电池气体扩散层1的保水效果，该气体扩散层1具有自增湿的功能，亲水性聚合物与聚四氟乙烯的疏水性能相配合，能够替换现有技术中燃料电池设置的水冷系统和加湿系统。
具体地，亲水聚合物包括聚苯胺、聚多巴胺、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、酚醛树脂的一种或多种。
更具体地，亲水聚合物质量百分含量为5％～10％。
进一步地，碳纤维基底层的厚度为0.18mm～0.25mm。更进一步地，碳黑可以为50％压缩。
在另一个实施例中，一种燃料电池气体扩散层的制备方法，包括：
S100、对碳纤维基底层进行疏水处理。
S200、将碳黑、亲水性聚合物、第一浓度的聚四氟乙烯乳液和水搅拌混合，形成混合浆料。
S300、将混合浆料涂覆在经过疏水处理的碳纤维基底层上，以得到第一中间体。
S400、第一中间体在60～80℃的温度条件下干燥处理，干燥处理时间为10～30min，以得到第二中间体。
S500、第二中间体在350～370℃的温度条件下烧结，烧结时间为10～30min，以得到燃料电池气体扩散层。
具体地，现有技术公开了“亲水-疏水亲水”三明治结构的微孔层，以达到梯度化保水的目的，可是这样方法繁琐复杂，不利于工业化生产。该制备方法能够化繁为简，工艺简单，制备方便，所需材料少，降低了生产成本。相对现有技术中复杂繁琐，该制备方法采用“一锅法”制备微孔层的混合浆料，采用刮涂法涂覆在碳纤维基底层(碳纸表面)，一次性烧结制备适用于风冷电堆阴阳极的气体扩散层。使燃料电池在低湿度条件下依旧可以拥有良好的保水效果，正常运行，免去加湿系统，从而节约空间和减轻电池本身的重量。另外在高湿度条件下，由于疏水孔径存在，可以起到水管理作用，防止水淹，解决现有技术存在工艺复杂及风冷电堆水管理问题。
更具体地，第一中间体的刮刀厚度为200～400微米。
进一步地，碳纤维基底层的疏水度为25％～30％。干燥处理可以为烘干处理。
具体地，S100对碳纤维基底层进行疏水处理的步骤包括：
S110、将碳纤维基底层浸渍在第二浓度的聚四氟乙烯乳液中，浸渍时间为0.5～10min；
S120、对完成浸渍的碳纤维基底层进行干燥处理，干燥处理的温度为50～70℃，干燥处理的时间为8～12min。
更具体地，第二浓度为1％～10％。
在另一个实施例中，一种燃料电池，包括燃料电池气体扩散层。
为了更好地对本发明的技术方案进行说明，下面详细介绍具体的实施方式。
实施例1
实施例1提供一种燃料电池气体扩散层制备方法，具体步骤如下：
(1)将浓度60％的聚四氟乙烯乳液稀释至5％，将厚度为0.2mm的碳纤维纸浸渍稀释后的聚四氟乙烯乳液中0.5min后取出，放置60℃烘箱中烘干处理10min，得到疏水度为25％的碳纤维基底层。
(2)将9g炭黑、6g聚苯胺、5g浓度40％聚四氟乙烯乳液、80g去离子水置于烧杯中以800rpm搅拌1h，然后静置2h，以得到混合浆料。
(3)将上述混合浆料刮涂在步骤(1)中疏水度为25％的碳纤维基底层上，调节刮刀厚度为350微米，以得到第一中间体。
(4)将第一中间体置于60℃烘箱中烘烤10min，以得到第二中间体。
(5)将第二中间体的温度升至350℃，继续烧结10min，以得到燃料电池气体扩散层。
将上述燃料电池气体扩散层与商业催化层(Gore.Inc.,PRIMEASeries5510)组装成膜电机，组装燃料电池测试其性能。
实施例2
实施例2提供一种燃料电池气体扩散层制备方法，具体步骤如下：
(1)将浓度60％的聚四氟乙烯乳液稀释至5％，将厚度为0.2mm的碳纤维纸浸渍稀释后的聚四氟乙烯乳液中0.5min后取出，放置60℃烘箱中烘干处理10min，得到疏水度为25％的碳纤维基底层。
(2)将9g炭黑、6g聚乙烯基吡咯烷酮、5g浓度40％聚四氟乙烯乳液、80g去离子水置于烧杯中以800rpm搅拌1h，然后静置2h，以得到混合浆料。
(3)将上述混合浆料刮涂在步骤(1)中疏水度为25％的碳纤维基底层上，调节刮刀厚度为350微米，以得到第一中间体。
(4)将第一中间体置于60℃烘箱中烘烤10min，以得到第二中间体。
(5)将第二中间体的温度升至350℃，继续烧结10min，以得到燃料电池气体扩散层。
将上述燃料电池气体扩散层与商业催化层(Gore.Inc.,PRIMEASeries5510)组装成膜电机，组装燃料电池测试其性能。
实施例3
实施例3提供一种燃料电池气体扩散层制备方法，具体步骤如下：
(1)将浓度60％的聚四氟乙烯乳液稀释至5％，将厚度为0.2mm的碳纤维纸浸渍稀释后的聚四氟乙烯乳液中0.5min后取出，放置60℃烘箱中烘干处理10min，得到疏水度为25％的碳纤维基底层。
(2)将9g炭黑、6g聚乙烯基吡咯烷酮、5g浓度30％聚四氟乙烯乳液、80g去离子水置于烧杯中以800rpm搅拌1h，然后静置2h，以得到混合浆料。
(3)将上述混合浆料刮涂在步骤(1)中疏水度为25％的碳纤维基底层上，调节刮刀厚度为350微米，以得到第一中间体。
(4)将第一中间体置于60℃烘箱中烘烤10min，以得到第二中间体。
(5)将第二中间体的温度升至350℃，继续烧结10min，以得到燃料电池气体扩散层。
将上述燃料电池气体扩散层与商业催化层(Gore.Inc.,PRIMEASeries5510)组装成膜电机，组装燃料电池测试其性能。
实施例4
实施例4提供一种燃料电池气体扩散层制备方法，具体步骤如下：
(1)将浓度60％的聚四氟乙烯乳液稀释至5％，将厚度为0.2mm的碳纤维纸浸渍稀释后的聚四氟乙烯乳液中5min后取出，放置60℃烘箱中烘干处理10min，得到疏水度为25％的碳纤维基底层。
(2)将9g炭黑、6g聚乙烯基吡咯烷酮、5g浓度20％聚四氟乙烯乳液、80g去离子水置于烧杯中以800rpm搅拌1h，然后静置2h，以得到混合浆料。
(3)将上述混合浆料刮涂在步骤(1)中疏水度为25％的碳纤维基底层上，调节刮刀厚度为350微米，以得到第一中间体。
(4)将第一中间体置于60℃烘箱中烘烤10min，以得到第二中间体。
(5)将第二中间体的温度升至350℃，继续烧结10min，以得到燃料电池气体扩散层。
将上述燃料电池气体扩散层与商业催化层(Gore.Inc.,PRIMEASeries5510)组装成膜电机，组装燃料电池测试其性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种燃料电池气体扩散层，包括碳纤维基底层和微孔层，所述微孔层设置于所述碳纤维基底层上，其特征在于，所述微孔层按质量份数计，包括：
Figure FDA0003488615380000011
2.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述亲水聚合物包括聚苯胺、聚多巴胺、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、酚醛树脂的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述碳纤维基底层的厚度为0.18mm～0.25mm。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括：
对碳纤维基底层进行疏水处理；
将碳黑、亲水性聚合物、第一浓度的聚四氟乙烯乳液和水搅拌混合，形成混合浆料；
将所述混合浆料涂覆在经过疏水处理的所述碳纤维基底层上，以得到第一中间体；
所述第一中间体在60～80℃的温度条件下干燥处理，干燥处理时间为10～30min，以得到第二中间体；
所述第二中间体在350～370℃的温度条件下烧结，烧结时间为10～30min，以得到燃料电池气体扩散层。
5.根据权利要求4所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述第一浓度为30％～50％。
6.根据权利要求4所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，经过疏水处理后的所述碳纤维基底层的疏水度为25％～30％。
7.根据权利要求4所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述对碳纤维基底层进行疏水处理的步骤包括：
将所述碳纤维基底层浸渍在第二浓度的所述聚四氟乙烯乳液中，浸渍时间为0.5～10min；
对完成浸渍的所述碳纤维基底层进行干燥处理，干燥处理的温度为50～70℃，干燥处理的时间为8～12min。
8.根据权利要求7所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述第二浓度为1％～10％。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求1至3任意一项所述的燃料电池气体扩散层。
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