CN114628690B - 一种燃料电池气体扩散层及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种燃料电池气体扩散层及其制备方法与应用，所述燃料电池气体扩散层包括阻酸层、微孔层和支撑层；所述阻酸层附着于所述微孔层的表面，所述微孔层附着于所述支撑层的表面；所述阻酸层包括纳米片层结构材料、磷酸锚定材料与添加剂。所述燃料电池气体扩散层具有层厚度、亲疏水性及孔隙率可调节的特性，其可用于高温质子交换膜燃料电池电极中。
Description
技术领域
本申请涉及一种燃料电池气体扩散层及其制备方法与应用，属于燃料电池领域技术领域。
背景技术
磷酸电解质的高温聚合物电解质膜燃料电池可对甲醇、乙醇、甲烷、汽柴油等液体燃料经过重整所得的富氢燃料直接利用，在交通工具、移动备用电源等传统油机替代领域具有广阔的应用前景。磷酸在膜电极中起到传导质子的作用，同时也是构成反应界面的核心组分，其分布行为将极大程度影响膜电极性能。但与此同时，由于液态磷酸的流动属性，在燃料电池操作过程中，极易随着气液相物质传输过程而发生流失，不仅大幅降低膜电极质子传导率，同时减少电极中有效反应界面数量，电极性能将发生衰减。更为致命的是，由于磷酸的流失，电解质膜性状发生改变，基于PBI材料的电解质膜由原先磷酸浸润时较为柔韧的结构转变为失酸后的脆性结构，极易发生电解质膜破损，导致膜电极失效。而且，由于磷酸电解质的引入，其对铂基催化剂较强的吸附作用，严重降低了阴阳极电化学反应过程，并占据了有效活性位，对电极具有较强的毒化作用，同时反应物气体在磷酸中扩散系数远低于气相或水中，严重制约了电极中物质传输能力。综上所述，高温聚合物电解质膜燃料电池防止磷酸过度流失是膜电极研究的重要课题。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供一种燃料电池气体扩散层，所述燃料电池气体扩散层具有层厚度、亲疏水性及孔隙率可调节的特性，其可用于高温质子交换膜燃料电池电极中。
一种燃料电池气体扩散层，所述燃料电池气体扩散层包括阻酸层、微孔层和支撑层；
所述阻酸层附着于所述微孔层的表面，所述微孔层附着于所述支撑层的表面；
所述阻酸层包括纳米片层结构材料、磷酸锚定材料与添加剂。
可选地，阻酸层中，所述纳米片层结构材料包括石墨烯、氧化石墨烯、氮化硼纳米片、硫化钼纳米片、碳纳米管中的至少一种。
可选地，阻酸层中，所述磷酸锚定材料包括聚苯并咪唑、季铵盐离聚物、全氟磷酸离聚物中的任一种。
可选地，阻酸层中，所述添加剂包括疏水剂I与粘结剂I；
所述疏水剂I包括聚偏氟乙烯和/或聚四氟乙烯；
所述粘结剂I包括聚苯并咪唑、全氟磺酸聚合物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的至少一种。
可选地，阻酸层中，所述纳米片层结构材料的载量范围为0.1～3mg/cm2；
所述磷酸锚定高分子、疏水剂I、粘结剂I的质量分别为所述纳米片层结构材料的5～50％、1～30％和1～30％。
优选地，所述磷酸锚定高分子、疏水剂I、粘结剂I的质量分别为所述纳米片层结构材料的5～20％、15～25％和10～30％。
优选地，所述磷酸锚定高分子、疏水剂I、粘结剂I的质量分别为所述纳米片层结构材料的5～10％、20～25％和20～30％。
可选地，所述阻酸层厚度为5～50μm，孔隙率为30～80％。
可选地，所述阻酸层厚度的厚度上限选自10、15、20、50μm；下限选自5、10、15、20μm。
可选地，所述孔隙率上限选自为40％、50％、60％、80％；下限选自30％、40％、50％、60％。
可选地，所述微孔层包括纳米碳材料、粘结剂II、疏水剂II；
所述疏水剂II包括聚偏氟乙烯和/或聚四氟乙烯；
所述粘结剂II包括聚苯并咪唑、全氟磺酸聚合物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的至少一种。
可选地，其特征在于，所述纳米碳材料包括无定形碳、碳纳米管、石墨烯等碳材料中的任一种。
可选地，所述碳材料的载量范围为0.1～3mg/cm2；
所述疏水剂II和粘结剂水剂II的质量分别为所述碳材料的1～30％、1～10％。
可选地，所述微孔层的厚度为5～50μm，孔隙率为30～80％。
可选地，所述支撑层包括碳纤维和疏水剂III；
所述碳纤维选自碳纤维纸、碳纤维布或碳纤维毛毡中的任一种；
所述疏水剂III包括聚偏氟乙烯和/或聚四氟乙烯；
所述疏水剂III在所述支撑层中的质量含量5～30％。
可选地，所述疏水剂III在所述支撑层中的质量含量10～25％。
可选地，所述支撑层范围为20～500μm，孔隙率为30～80％。
根据本申请的另一个方面，提供上述任一项所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
(S1)获得支撑层；
(S2)将微孔层附着于所述支撑层；
(S3)将含有纳米片层结构材料、磷酸锚定材料、添加剂的阻酸层前驱体溶液涂覆于所述微孔层，得到燃料电池气体扩散层前体；
(S4)燃料电池气体扩散层前体经过热处理，获得所述燃料电池气体扩散层。
可选地，所述(S1)包括：将含有疏水剂的水溶液I对支撑层材料进行疏水化处理；
所述疏水化处理的方式选自喷涂或浸渍中的任一种。
可选地，所述(S2)包括：将含有疏水剂、粘结剂的溶液II涂覆于所述支撑层上；
所述涂覆的方式选自喷涂、刷涂或狭缝挤压涂布中的任一种；
所述溶液II的溶剂为乙醇与Q的混合物；
所述Q选自异丙醇、水、乙二醇中的任一种；
所述乙醇与Q的体积比为5:1～1:5。
可选地，所述乙醇与Q的体积比为2:1～1:2。
可选地，所述(S3)中，所述添加剂包括疏水剂和粘结剂；
所述阻酸层前驱体溶液的溶剂为R与T的混合物；
所述R选自二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲亚砜中的任意一种；
所述T选自异丙醇、水、乙二醇、乙醇中的任意一种；
所述R与T的体积比为5:1～1:5。
所述R与T的体积比为2:1～1:2。
可选地，所述(S4)中，所述热处理为氮气气氛下300～500℃处理0.5～2h。
可选的，所述(S4)中，所述热处理为氮气气氛下350～450℃处理0.5～1h。
根据本申请的另一个方面，提供上述任一项所述的燃料电池气体扩散层或根据上述任一项所述的燃料电池气体扩散层在高温聚合物电解质膜燃料电池中的应用。
本发明将制备一种燃料电池气体扩散层，这种燃料电池气体扩散层主要由碳纤维支撑层、微孔层及具有阻酸功能的修饰层构成，其中支撑层同时还浸渍有疏水剂，微孔层含有粘结剂、疏水剂并经由涂布工艺制备而成，阻酸修饰层由纳米片层结构材料、磷酸锚定材料与添加剂构成，其可作为高温聚合物电解质膜燃料电池的多孔电极。
为实现上述目的，本发明采用以下具体方案来实现：
一种燃料电池气体扩散层，该扩散层包含支撑层、微孔层与阻酸层三部分，其中支撑层为疏水化处理的碳纤维构成，厚度范围为20～500μm，孔隙率为30～80％；微孔层为纳米碳材料与疏水剂、粘结剂混合涂覆于支撑层表面构成，厚度范围为5～50μm，孔隙率为30～80％；阻酸层为片层纳米材料、磷酸锚定高分子、疏水剂与粘结剂混合涂覆于微孔层表面构成，厚度为5～50μm，孔隙率为30～80％。
所述燃料电池气体扩散层中，支撑层材料包括碳纤维和疏水剂，所述碳纤维包括碳纤维纸、碳纤维布或碳纤维毛毡中的一种；所述疏水剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)中的一种或两者的混合物；疏水化处理通过喷涂或浸渍的手段实现；疏水剂含量为支撑层质量的5～30％范围内。
所述气体扩散层中微孔层中，纳米碳材料所述包括无定形碳、碳纳米管、石墨烯等碳材料中的一种；所述疏水剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)中的一种或两者的混合物；所述粘结剂包括聚苯并咪唑(PBI)、全氟磺酸聚合物(PFSA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)中的一种或两种以上的混合物。纳米碳材料的载量范围为0.1～3mg/cm2；疏水剂的质量比例范围为1-30％之间；粘结剂的质量比例范围为1～10％之间；所述微孔层涂覆方法为刷涂、狭缝挤压涂布、喷涂中的一种。
所述气体扩散层中阻酸层片中，所述片层纳米材料包括石墨烯、氧化石墨烯、氮化硼纳米片、硫化钼纳米片、碳纳米管中的一种或两者混合物；所述磷酸锚定高分子包括聚苯并咪唑、季铵盐离聚物、全氟磷酸离聚物中的一种；所述疏水剂包括聚偏氟乙烯(PVDF)或聚四氟乙烯(PTFE)中的一种或两者的混合物；所述粘结剂包括聚苯并咪唑(PBI)、全氟磺酸聚合物(PFSA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)中的一种或两种以上的混合物。片层纳米材料载量范围为0.1～3mg/cm2；磷酸锚定高分子的质量比例范围为5～50％之间；疏水剂的质量比例范围为1～30％之间；粘结剂的质量比例范围为1～10％之间；所述阻酸层涂覆方法为刷涂、狭缝挤压涂布、喷涂中的一种。
该气体扩散层的制备方法包括以下制备步骤：
1)支撑层的制备：
将碳纤维纸或碳纤维布或碳纤维毡裁剪成所需尺寸备用，称取一定质量的疏水剂溶液，若采用喷涂法制备，将上述疏水剂溶液置于超声喷涂设备中，在基台温度为30～80℃条件下将浆液喷涂于碳纤维材料表面直至所需载量；若采用浸渍法制备，则将上述疏水剂溶液置于盘状容器中，并将碳纤维材料完全浸没，干燥后反复多次，直至达到所需载量。
将上述制备的支撑层备用。
2)微孔层的制备：
称取一定质量的纳米碳材料，并加入所需比例的疏水剂、粘结剂，加入固体质量5～20倍的溶剂，溶剂为乙醇与异丙醇、水、乙二醇中的任意一种混合，比例为5:1～1:5之间，超声5～30分钟至分散均匀；
若采用喷涂法制备，将上述分散浆液置于超声喷涂设备中，在基台温度为30～80℃条件下将浆液喷涂于上述支撑层表面直至所需载量；若采用刷涂法制备，将上述分散浆液通过刷笔涂覆于上述支撑层表面直至所需载量；若采用狭缝挤压涂布制备，则将上述分散浆液置于狭缝挤压涂布进料装置中，按照所需载量涂布于支撑层表面。
3)阻酸层的制备：
称取一定质量的片层纳米材料，加入固体质量5～20倍的溶剂，溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲亚砜中的任意一种与异丙醇、水、乙二醇、乙醇中的任意一种混合，比例为5:1～1:5之间，超声5～30分钟至分散均匀；再加入一定质量的磷酸锚定高分子，并加入所需比例的疏水剂、粘结剂，超声5～30分钟至分散均匀；
若采用喷涂法制备，将上述分散浆液置于超声喷涂设备中，在基台温度为30～80℃条件下将浆液喷涂于上述支撑层表面直至所需载量；若采用刷涂法制备，将上述分散浆液通过刷笔涂覆于上述支撑层表面直至所需载量；若采用狭缝挤压涂布制备，则将上述分散浆液置于狭缝挤压涂布进料装置中，按照所需载量涂布于支撑层表面。
4)气体扩散层制备：
将上述涂覆有微孔层与阻酸层的支撑层置于管式炉中，在氮气气氛下，250～500℃条件下，处理0.5～2小时，既得所需的气体扩散层。
所述新型扩散层可用于高温聚合物电解质膜燃料电池中。
本申请能产生的有益效果包括：
1.结构可控：采用本发明所述方法制备的气体扩散层厚度、孔隙率、亲疏水性均可通过制备过程参数进行控制；
2.磷酸流失显著缓解：采用本发明所述方法制备的气体扩散层用于高温电解质膜燃料电池阳极，由于其中阻酸层的引入，大幅缓解了磷酸的流失，膜电极稳定性大幅提高；
3.实用性强：相比于其他制备方法，本方法的制备过程，可控性强，减少了其他方法带来的不可控因素，实用性强。
4.成本低廉：相比于价格高昂的商品气体扩散层，本方法所制备的气体扩散层成本显著降低。
附图说明
图1本发明实施例1所制备的气体扩散层与对比例1所制备的气体扩散层阻酸对比示意图。
图2本发明实施例1所制的气体扩散层阻酸层结构示意图。
图3为采用本发明所述方法制备的气体扩散层(实施例1)与传统自制气体扩散层(对比例1)、商品气体扩散层(对比例2)高温聚合物电解质膜燃料电池氢气性能对比，测试条件：160℃，阳极氢气进料(2倍计量比)，阴极空气进料(3倍计量比)。由图可以看出，采用本发明所制备气体扩散层用于高温电解质膜燃料电池阳极，在氢气进料条件下体现出了与传统结构(对比例1、2)相似的性能。
图4为采用本发明所述方法制备的气体扩散层(实施例1)与传统自制气体扩散层(对比例1)、商品气体扩散层(对比例2)高温聚合物电解质膜燃料电池工作过程中磷酸流失速率对比。由图可以看出，本发明所制备的气体扩散层磷酸流失速率较传统气体扩散层组装的膜电极显著降低。
图5为采用本发明所述方法制备的气体扩散层(实施例1)与商品气体扩散层(对比例2)高温聚合物电解质膜燃料电池稳定性对比。由图可以看出，本发明所制备的气体扩散层组装的膜电极稳定性大幅优于传统结构膜电极。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买；
以下通过实例对本发明作详细描述，但本发明不仅限于以下实施例。
实施例1：
1)支撑层的制备：
将碳纤维纸剪成10×10cm备用，并称取10g 60％PTFE水分散液，置于盘状容器中，并将碳纤维纸完全浸没，干燥后反复多次，直至达到疏水剂载量占支撑层质量比例为20％。
2)微孔层的制备：
称取0.15g的无定形碳粉末，并加入0.03g浓度为60％的PTFE水分散液，加入固体质量20倍的溶剂，溶剂为乙醇与水混合(体积比例为1:1)，超声30分钟至分散均匀；将上述分散浆液置于超声喷涂设备中，在基台温度为60℃条件下将浆液喷涂于上述支撑层表面直至载量为1mg/cm2。
3)阻酸层的制备：
称取0.1g石墨烯，加入固体质量10倍的二甲基甲酰胺与异丙醇的混合溶剂，(体积比例为1:1)，超声30分钟至分散均匀；再加入0.01g聚苯并咪唑粉末(分子量200000)、0.03g60％聚四氟乙烯水分散液，超声30分钟至分散均匀；
采用喷涂法制备，将上述分散浆液置于超声喷涂设备中，在基台温度为60℃条件下将浆液喷涂于上述支撑层表面直至载量为0.5mg/cm2。
4)气体扩散层制备：
将上述涂覆有微孔层的支撑层置于管式炉中，在氮气气氛下，400℃条件下，处理1小时，既得所需的燃料电池气体扩散层阻酸层。
所述得的气体扩散层中，其中支撑层的厚度为200微米，孔隙率为70％；微孔层的厚度为30微米，孔隙率为70％；阻酸层厚度为10微米，孔隙率为50％；
在支撑层中，疏水剂PTFE的质量比例为20％；
在微孔层中，PTFE同时作为疏水剂和粘结剂，质量为无定形碳质量的10％；
在阻酸层中，聚苯并咪唑同时作为磷酸锚定高分子和粘结剂，质量分别为石墨烯的10％，聚四氟乙烯同时作为疏水剂和粘结剂，质量为石墨烯的20％。
图2为本实施例所制的气体扩散层阻酸层结构示意图。
对比例1：
1)支撑层的制备：
将碳纤维纸剪成10×10cm备用，并称取10g 60％PTFE水分散液，置于盘状容器中，并将碳纤维纸完全浸没，干燥后反复多次，直至达到疏水剂载量占支撑层质量比例为20％。
2)微孔层的制备：
称取0.15g的无定形碳粉末，并加入0.03g浓度为60％的PTFE水分散液，加入固体质量20倍的溶剂，溶剂为乙醇与水混合(体积比例为1:1)，超声30分钟至分散均匀；将上述分散浆液置于超声喷涂设备中，在基台温度为60℃条件下将浆液喷涂于上述支撑层表面直至载量为1mg/cm2。
3)气体扩散层制备：
将上述涂覆有微孔层的支撑层置于管式炉中，在氮气气氛下，400℃条件下，处理1小时，既得所需的气体扩散层。
所述得的气体扩散层中，其中支撑层的厚度为200微米，孔隙率为70％；微孔层的厚度为30微米，孔隙率为70％；
在支撑层中，疏水剂PTFE的质量比例为20％；
在微孔层中，PTFE同时作为疏水剂和粘结剂，质量为无定形碳质量的10％；
图1为实施例1所制备的气体扩散层与本对比例所制备的气体扩散层阻酸对比示意图。
对比例2：
采用商品气体扩散层进行膜电极组装，气体扩散层型号为科德宝公司生产的H24。
实施例2：
1)支撑层的制备：
将碳纤维布剪成10×10cm备用，并称取10g 60％PTFE水分散液，置于盘状容器中，并将碳纤维布完全浸没，干燥后反复多次，直至达到疏水剂载量占支撑层质量比例为20％。
2)微孔层的制备：
称取0.15g的无定形碳粉末，并加入0.03g浓度为60％的PTFE水分散液，加入固体质量20倍的溶剂，溶剂为乙醇与水混合(体积比例为1:1)，超声30分钟至分散均匀；将上述分散浆液置于超声喷涂设备中，在基台温度为60℃条件下将浆液喷涂于上述支撑层表面直至载量为1mg/cm2。
3)阻酸层的制备：
称取0.2g氧化石墨烯，加入固体质量10倍的二甲基甲酰胺与异丙醇的混合溶剂，(体积比例为1:1)，超声30分钟至分散均匀；再加入0.1g全氟磷酸聚离子10％水分散液(分子量100000)、0.03g 60％聚四氟乙烯水分散液，超声30分钟至分散均匀；
采用喷涂法制备，将上述分散浆液置于超声喷涂设备中，在基台温度为60℃条件下将浆液喷涂于上述支撑层表面直至载量为1mg/cm2。
4)气体扩散层制备：
将上述涂覆有微孔层的支撑层置于管式炉中，在氮气气氛下，300℃条件下，处理2小时，既得所需的气体扩散层。
所得的气体扩散层中，其中支撑层的厚度为400微米，孔隙率为60％；微孔层的厚度为30微米，孔隙率为70％；阻酸层厚度为20微米，孔隙率为40％；
在支撑层中，疏水剂PTFE的质量比例为20％；
在微孔层中，PTFE同时作为疏水剂和粘结剂，质量为无定形碳质量的10％；
在阻酸层中，全氟磷酸聚离同时作为磷酸锚定高分子和粘结剂，质量分别为无定形碳的10％，聚四氟乙烯同时作为疏水剂和粘结剂，质量为无定形碳的20％。
实施例3：
1)支撑层的制备：
将碳纤维毛毡剪成10×10cm备用，并称取10g 60％PTFE水分散液，置于盘状容器中，并将碳纤维毛毡完全浸没，干燥后反复多次，直至达到疏水剂载量占支撑层质量比例为20％。
2)微孔层的制备：
称取0.15g的无定形碳粉末，并加入0.03g浓度为60％的PTFE水分散液，加入固体质量20倍的溶剂，溶剂为乙醇与水混合(体积比例为1:1)，超声30分钟至分散均匀；将上述分散浆液置于超声喷涂设备中，在基台温度为60℃条件下将浆液喷涂于上述支撑层表面直至载量为1mg/cm2。
3)阻酸层的制备：
称取0.2g硫化钼纳米片，加入固体质量10倍的二甲基甲酰胺与异丙醇的混合溶剂(体积比例为1:1)，超声30分钟至分散均匀；再加入0.03g的聚苯并咪唑粉末(分子量200000)，0.06g 60％的聚四氟乙烯水分散液，超声30分钟至分散均匀；
采用喷涂法制备，将上述分散浆液置于超声喷涂设备中，在基台温度为60℃条件下将浆液喷涂于上述支撑层表面直至载量为0.5mg/cm2。
4)气体扩散层制备：
将上述涂覆有微孔层的支撑层置于管式炉中，在氮气气氛下，400℃条件下，处理1小时，既得所需的气体扩散层。
所得的气体扩散层中，其中支撑层的厚度为1000微米，孔隙率为80％；微孔层的厚度为30微米，孔隙率为70％；阻酸层厚度为10微米，孔隙率为30％；
在支撑层中，疏水剂PTFE的质量比例为20％；
在微孔层中，PTFE同时作为疏水剂和粘结剂，质量为无定形碳质量的10％；
在阻酸层中，聚苯并咪唑同时作为磷酸锚定高分子和粘结剂，质量分别为硫化钼纳米片的10％，聚四氟乙烯同时作为疏水剂和粘结剂，质量为硫化钼纳米片的20％。
实施例4：
1)支撑层的制备：
将碳纤维纸剪成10×10cm备用，并称取10g 20％的聚偏氟乙烯二甲基甲酰胺溶液，置于盘状容器中，并将碳纤维纸完全浸没，干燥后反复多次，直至达到疏水剂载量占支撑层质量比例为30％。
2)微孔层的制备：
称取0.15g的无定形碳粉末，并加入0.1g的浓度为20％的聚偏氟乙烯二甲基甲酰胺溶液，加入固体质量20倍的溶剂，溶剂为乙醇与水混合，(体积比例为1:1)，超声30分钟至分散均匀；将上述分散浆液置于超声喷涂设备中，在基台温度为60℃条件下将浆液喷涂于上述支撑层表面直至载量为1mg/cm2。
3)阻酸层的制备：
称取0.2g片层结构氮化钼材料，加入固体质量10倍的二甲亚砜与异丙醇的混合溶剂(比例为1:1)，超声30分钟至分散均匀；再加入0.5g的10％季铵盐聚离子水溶液，0.04g的60％聚四氟乙烯水分散液，超声30分钟至分散均匀；采用喷涂法制备，将上述分散浆液置于超声喷涂设备中，在基台温度为60℃条件下将浆液喷涂于上述支撑层表面直至载量为0.5mg/cm2。
4)气体扩散层制备：
将上述涂覆有微孔层的支撑层置于管式炉中，在氮气气氛下，400℃条件下，处理1小时，既得所需的气体扩散层。
所得的气体扩散层中，其中支撑层的厚度为200微米，孔隙率为70％；微孔层的厚度为30微米，孔隙率为70％；阻酸层厚度为15微米，孔隙率为50％；
在支撑层中，疏水剂PTFE的质量比例为20％；
在微孔层中，PTFE同时作为疏水剂和粘结剂，质量为无定形碳质量的10％；
在阻酸层中，季铵盐聚离子作为磷酸锚定高分子，质量为硫化钼纳米片的10％，聚四氟乙烯同时作为疏水剂和粘结剂，质量为硫化钼纳米片的20％。
图3为采用本发明所述方法制备的气体扩散层(实施例1)与传统自制气体扩散层(对比例1)、商品气体扩散层(对比例2)高温聚合物电解质膜燃料电池氢气性能对比。由图可以看出，采用本发明所制备气体扩散层用于高温电解质膜燃料电池阳极，在氢气进料条件下体现出了与传统结构(对比例1、2)相似的性能。
图4为采用本发明所述方法制备的气体扩散层(实施例1)与传统自制气体扩散层(对比例1)、商品气体扩散层(对比例2)高温聚合物电解质膜燃料电池工作过程中磷酸流失速率对比。由图可以看出，本发明所制备的气体扩散层磷酸流失速率较传统气体扩散层组装的膜电极显著降低。
图5为采用本发明所述方法制备的气体扩散层(实施例1)与商品气体扩散层(对比例2)高温聚合物电解质膜燃料电池稳定性对比。由图可以看出，本发明所制备的气体扩散层组装的膜电极稳定性大幅优于传统结构膜电极。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (13)
1.一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，
所述燃料电池气体扩散层包括阻酸层、微孔层和支撑层；
所述阻酸层附着于所述微孔层的表面，所述微孔层附着于所述支撑层的表面；
所述阻酸层包括纳米片层结构材料、磷酸锚定材料与添加剂；
所述纳米片层结构材料包括石墨烯、氧化石墨烯、氮化硼纳米片、硫化钼纳米片、碳纳米管中的至少一种；
所述磷酸锚定材料包括聚苯并咪唑、季铵盐离聚物、全氟磷酸离聚物中的任一种；
所述添加剂包括疏水剂I与粘结剂I；
所述疏水剂I包括聚偏氟乙烯和/或聚四氟乙烯；
所述粘结剂I包括聚苯并咪唑、全氟磺酸聚合物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的至少一种；
所述纳米片层结构材料的载量范围为0.1~3 mg/cm2；
所述磷酸锚定材料、疏水剂I、粘结剂I的质量分别为所述纳米片层结构材料的5~50%、1~30%和1~30%；
所述阻酸层厚度为5~50μm，孔隙率为30~80%。
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，
所述微孔层包括纳米碳材料、粘结剂II、疏水剂II；
所述疏水剂II包括聚偏氟乙烯和/或聚四氟乙烯；
所述粘结剂II包括聚苯并咪唑、全氟磺酸聚合物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的至少一种；
所述疏水剂II和粘结剂水剂II的质量分别为所述纳米碳材料的1~30%、1~10%。
3.根据权利要求2所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，
所述纳米碳材料包括无定形碳、碳纳米管、石墨烯碳材料中的任一种。
4.根据权利要求2所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，
所述纳米碳材料的载量范围为0.1~3 mg/cm2。
5.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，
所述微孔层的厚度为5~50μm，孔隙率为30~80%。
6.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，
所述支撑层包括碳纤维和疏水剂III；
所述碳纤维选自碳纤维纸、碳纤维布或碳纤维毛毡中的任一种；
所述疏水剂III包括聚偏氟乙烯和/或聚四氟乙烯；
所述疏水剂III在所述支撑层中的质量含量5~30%。
7.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层，其特征在于，
所述支撑层范围为20~500μm，孔隙率为30~80%。
8.根据权利要求1~7任一项所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，
所述制备方法包括：
（S1）获得支撑层；
（S2）将微孔层附着于所述支撑层；
（S3）将含有纳米片层结构材料、磷酸锚定材料、添加剂的阻酸层前驱体溶液涂覆于所述微孔层，得到燃料电池气体扩散层前体；
（S4）燃料电池气体扩散层前体经过热处理，获得所述燃料电池气体扩散层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，
所述（S1）包括：将含有疏水剂的水溶液I对支撑层材料进行疏水化处理；
所述疏水化处理的方式选自喷涂或浸渍中的任一种。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，
所述（S2）包括：将含有疏水剂、粘结剂的溶液II涂覆于所述支撑层上；
所述涂覆的方式选自喷涂、刷涂或狭缝挤压涂布中的任一种；
所述溶液II的溶剂为乙醇与Q的混合物；
所述Q选自异丙醇、水、乙二醇中的任一种；
所述乙醇与Q的体积比为5:1~1:5。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，
所述（S3）中，所述阻酸层前驱体溶液的溶剂为R与T的混合物；
所述R选自二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲亚砜中的任意一种；
所述T选自异丙醇、水、乙二醇、乙醇中的任意一种；
所述R与T的体积比为5:1~1:5。
12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，
所述（S4）中，所述热处理为氮气气氛下300~500℃处理0.5~2h。
13.根据权利要求1~7所述的燃料电池气体扩散层或根据权利要求8~12任一项所制备的燃料电池气体扩散层在高温聚合物电解质膜燃料电池中的应用。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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