CN115359948B - 燃料电池气体扩散层导电浆料、气体扩散层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于材料技术领域，尤其涉及一种燃料电池气体扩散层导电浆料、气体扩散层及其制备方法。以所述导电浆料的总质量为100％计，包括质量百分含量的原料组分：碳纳米管5～10％，稳定剂0.15～0.5％，润湿剂0.5～3％，溶剂余量；碳纳米管包括质量比为(99.9～99.95)：(0.05～0.1)的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。本申请燃料电池气体扩散层导电浆料，通过阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的协同配合作用，能够在多孔基底表面形成孔隙分布均匀、孔径大小合适的三维网络结构，与多孔基底的孔隙形成梯级分布，充分确保了燃料电池气体扩散层的透气性、导电性、导热性、稳定性、以及亲水/憎水的平衡性等特性。
Description
技术领域
本申请属于材料技术领域，尤其涉及一种燃料电池气体扩散层导电浆料、气体扩散层及其制备方法。
背景技术
氢燃料电池具有燃料能量转化率高、噪音低以及零排放等优点，可广泛应用于汽车、飞机、列车等交通工具以及固定电站等方面。燃料电池气体扩散层(GDL)是燃料电池膜电极的重要组成部分，位于流场和催化剂层之间，是支撑催化剂层和收集电流的重要结构，同时为电极反应提供气体、质子、电子和水等多个通道。因此，开发高性能的GDL对燃料电池的耐久性和可靠性具有非常重要的意义。
现有GDL主要以百微米级孔碳纤维纸为基底，通过先在碳纤维纸表面涂敷大颗粒导电导热石墨颗粒后进行高温热处理，再在其表面涂敷小颗粒炭黑颗粒制备出梯度分布的微米级孔。该工艺制备的GDL成本高，工艺复杂，电阻率高，平整度差，无法获得适合的亲水/憎水性平衡点，孔结构梯级分布不均匀等问题，严重影响了其性能与使用寿命。因此选用高性能的气体扩散层材料有利于改善电极的综合性能。
为提升GDL多孔质结构均匀性与透气性、降低其电阻率、增强电子传导能力、提升结构紧密与表面平整、减小接触电阻、提高导电性能、增强机械强度、获取适当的亲水/憎水平衡、防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降、提升整体的化学稳定性和热稳定性、降低制造成本等方面性能，已进行了许多研究。
但是，目前GDL仍存在几方面问题：1、大小孔分布不均匀，孔隙偏低，导致透气性不足导致燃料电池高率性能受限。2、电阻率偏高导致电子迁移受阻，影响燃料电池高功率性能。3、传统工艺中涂敷导电导热石墨后需要经过高温热处理，在进行小颗粒炭黑的涂敷，导致整个GDL制备流程长，能耗高。
发明内容
本申请的目的在于提供一种燃料电池气体扩散层导电浆料、气体扩散层及其制备方法，旨在解决现有氢燃料电池气体扩散层存在透气性差、导电性差、稳定性不佳的技术问题。
为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种燃料电池气体扩散层导电浆料，以所述导电浆料的总质量为100％计，包括以下质量百分含量的原料组分：
碳纳米管 5～10％，
稳定剂 0.15～0.5％，
润湿剂 0.5～3％，
溶剂余量；
其中，所述碳纳米管包括质量比为(99.9～99.95)：(0.05～0.1)的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。
第二方面，本申请提供一种燃料电池气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
按上述燃料电池气体扩散层导电浆料，将配方量的碳纳米管、稳定剂、润湿剂和溶剂进行混合处理，得到预混浆料；
对所述预混浆料进行高压均质处理，得到导电浆料；
将所述导电浆料沉积到多孔基底上，干燥得到燃料电池气体扩散层。
第三方面，本申请提供一种燃料电池气体扩散层，所述燃料电池气体扩散层由上述方法制得。
本申请第一方面提供的燃料电池气体扩散层导电浆料，原料组分包括5～10wt％的碳纳米管，0.15～0.5wt％的稳定剂，0.5～3wt％的润湿剂和余量的溶剂；其中，碳纳米管包括质量比为(99.9～99.95)：(0.05～0.1)的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。采用碳纳米管代替导电导热石墨和小颗粒炭黑，一方面，质量比为(99.9～99.95)：(0.05～0.1)的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管具有不同管径、管长、长径比、比表面积等物化性能，能够产生级配效果。以易分散的阵列多壁碳纳米管作为主体，配合导电性优良的单壁碳纳米管，既有利于提高气体扩散层的导电性与导热性能，又确保了导电浆料的分散稳定性，有利于制成气体扩散层。另一方面，一维线性结构的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管，不但不会堵塞扩散层基底的孔隙，而且通过阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的交联复合能够形成三维导电网络结构，既确保了气体扩散层的透气性，又提升了气体扩散层的全方位导电性能，同时提升了气体扩散层导的亲水/憎水平衡性，以及稳定性。
本申请第二方面提供的燃料电池气体扩散层的制备方法，按上述燃料电池气体扩散层导电浆料，将配方量的碳纳米管、稳定剂、润湿剂和溶剂进行混合制成预混浆料后，进行高压均质处理，使各原料组分充分混合分散在导电浆料中。然后，将导电浆料沉积到多孔基底上，干燥便得到燃料电池气体扩散层。制备工艺简单，制得导电浆料后通过一步法即可制得燃料电池气体扩散层，不但有利于提高生产效率，降低制造成本；而且导电浆料的配方中，通过阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的协同配合作用，能够在多孔基底表面形成孔隙分布均匀、孔径大小合适的三维网络结构，与多孔基底的孔隙形成梯级分布，充分确保了燃料电池气体扩散层的透气性、导电性、导热性、稳定性、以及亲水/憎水的平衡性等特性。
本申请第三方面提供的燃料电池气体扩散层，由于该燃料电池气体扩散层由上述方法制得，具有透气性好，导电性和导热性优异，稳定性高，使用寿命长，且亲水/憎水平衡性好等特性，有利于提升燃料电池的整体性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，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获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的燃料电池气体扩散层的制备方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的燃料电池气体扩散层的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。
本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a，b或c中的至少一项(个)”，或，“a，b和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a，b，c，a-b(即a和b)，a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请说明书实施例中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请说明书实施例相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请说明书实施例公开的范围之内。具体地，本申请说明书实施例中的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本申请实施例第一方面提供一种燃料电池气体扩散层导电浆料，以导电浆料的总质量为100％计，包括以下质量百分含量的原料组分：
碳纳米管 5～10％，
稳定剂 0.15～0.5％，
润湿剂 0.5～3％，
溶剂余量；
其中，碳纳米管包括质量比为(99.9～99.95)：(0.05～0.1)的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。
本申请实施例第一方面提供的燃料电池气体扩散层导电浆料，原料组分包括5～10wt％的碳纳米管，0.15～0.5wt％的稳定剂，0.5～3wt％的润湿剂和余量的溶剂；其中，碳纳米管包括质量比为(99.9～99.95)：(0.05～0.1)的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。采用碳纳米管代替导电导热石墨和小颗粒炭黑，一方面，质量比为(99.9～99.95)：(0.05～0.1)的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管具有不同管径、管长、长径比、比表面积等物化性能，能够产生级配效果。以易分散的阵列多壁碳纳米管作为主体，配合导电性优良的单壁碳纳米管，既有利于提高气体扩散层的导电性与导热性能，又确保了导电浆料的分散稳定性，有利于制成气体扩散层。另一方面，一维线性结构的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管，不但不会堵塞扩散层基底的孔隙，而且通过阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的交联复合能够形成三维导电网络结构，既确保了气体扩散层的透气性，又提升了气体扩散层的全方位导电和导热性能，同时提升了气体扩散层导的亲水/憎水平衡性，以及稳定性。
在一些实施例中，阵列多壁碳纳米管的管径为7～30nm，长度为30～100μm，长径比为(1000～14300):1，比表面积为150～250m2/g。在一些实施例中，单壁碳纳米管的管径为0.7～1.8nm，长度为30～100μm，长径比为(16667～143000):1，比表面积为800～1500m2/g。本申请上述实施例采用管径为7～30nm，长度为30～100μm，长径比为(1000～14300):1的阵列碳纳米管，具有较大的孔径有利于遮挡碳纤维纸基底上的大孔，细化基底孔径大小。同时，采用管径为0.7～1.8nm，长度为30～100μm，长径比为(16667～143000):1单壁碳纳米管，具有较细的管径，较高的长径比，能够进一步细化基底中的孔径，达到孔径梯级分布目的。另外，本申请实施例采用的碳纳米管均具有较高的长度，长度为30～100μm的阵列多壁碳纳米管和长度为30～100μm的单壁碳纳米管，有利于实现气体扩散层长程导电性能，提高气体扩散层面内方向和厚度方面的导电性能。本申请上述实施例采用的碳纳米管还具有较合适的比表面积，阵列多壁碳纳米管的表面积为150～250m2/g，单壁碳纳米管的比表面积为800～1500m2/g，高比表面积的碳纳米管吸附性能强，同时具有良好的电磁波吸收等性能，有利于导电浆料在稳定的结合在基底表面，提高提起扩散层的稳定性和使用寿命。
在一些实施例中，阵列多壁碳纳米管的拉曼ID/IG为0.4～0.8，金属含量不高于50ppm，粉体电阻率5～10mΩ﹒cm，导热系数为1000～2800W/(m﹒K)。在一些实施例中，单壁碳纳米管的拉曼ID/IG为0.35～0.7，金属含量不高于50ppm，粉体电阻率0.1～5mΩ﹒cm，导热系数为3000～3980W/(m﹒K)。一方面，由于燃料电池是在酸性条件下工作的，金属杂质可被溶解沉积到质子交换膜上，从而造成对质子交换膜损害，进而造成对燃料电池破坏。因此，本申请实施例采用的阵列多壁碳纳米管或单壁碳纳米管金属含量不高于50ppm，具有高纯度，金属含量少等特性，既确保了气体扩散层的透气性能、导电性能，同时也确保了气体扩散层及燃料电池的稳定性。另一方面，碳纳米管拉曼光谱中D峰和G峰的强度对应碳纳米管的完整程度；可通过拉曼光谱D峰和G峰的强度ID/IG比可用来表征碳纳米管的结构完整程度。因此，本申请实施例采用的阵列多壁碳纳米管的拉曼ID/IG为0.4～0.8和单壁碳纳米管的拉曼ID/IG为0.35～0.7，表明采用的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管结构完整度高，缺陷少。若碳纳米管表面缺陷越多，在燃料电池高电压的酸性环境下，碳纳米管越容易被腐蚀，即石墨化程度比较高，从而会严重破坏气体扩散层和燃料电池的稳定性。同时，碳纳米管的拉曼ID/IG与材料的电阻率、导热系数也是相互关联和影响，拉曼ID/IG比越低其电阻率越低，导热系数越高。因此，本申请实施例采用阵列碳纳米管同时具有较低的粉体电阻率，为5～10mΩ﹒cm，较高的导热系数，为1000～2800W/(m﹒K)；单壁碳纳米管同时具有较低的粉体电阻率，为0.1～5mΩ﹒cm，较高的导热系数，为3000～3980W/(m﹒K)。
在一些实施例中，阵列多壁碳纳米管的羟基含量10-9～10-11mol/mg，羧基含量10-9～10-11mol/mg。在一些实施例中，单壁碳纳米管的羟基含量10-11～10-13mol/mg，羧基含量10-11～10-13mol/mg。本申请上述实施例采用的碳纳米管表面均含有羟基和羧基，其中，阵列多壁碳纳米管的羟基含量10-9～10-11mol/mg，羧基含量10-9～10-11mol/mg，单壁碳纳米管的羟基含量10-11～10-13mol/mg，羧基含量10-11～10-13mol/mg，既能够提高碳纳米管在导电浆料中的分散不稳定性，而且羟基和羧基含量主要是影响材料的亲水和憎水性，能够改善气体扩散层的亲水/憎水平衡，有利于燃料电池中反应物产物水通过气体扩散层时可以顺利的被排出，避免水淹问题发生。
在一些实施例中，阵列多壁碳纳米管的管径为7～30nm，长度为30～100μm，长径比为(1000～14300):1，拉曼ID/IG为0.4～0.8，粉体电阻率5～10mΩ﹒cm，导热系数为1000～2800W/(m﹒K)，比表面积为150～250m2/g，金属含量不高于50ppm，羟基含量10-9～10-11mol/mg，羧基含量10-9～10-11mol/mg；单壁碳纳米管的管径为0.7～1.8nm，长度为30～100μm，长径比为(16667～143000):1，比表面积为800～1500m2/g，拉曼ID/IG为0.35～0.7，粉体电阻率0.1～5mΩ﹒cm，导热系数为3000～3980W/(m﹒K)，金属含量不高于50ppm，羟基含量10-11～10-13mol/mg，羧基含量10-11～10-13mol/mg。本申请实施例采用不同长径比，不同长度，不同比表面积的两种碳纳米管，通过两种碳纳米管形成级配，有利于在碳纤维基底上形成孔径大小合适且孔径均匀的通孔。并且，采用的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管均具有高纯度，金属杂质含量少，结构完整度高，缺陷少，电阻率低，导电性能和导热性能优异等特性，同时还含有羟基和羧基，有利于改善气体扩散层的亲水/憎水性能。
在一些实施例中，稳定剂包括聚偏四氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶中的至少一种。本申请实施例采用的聚偏四氟乙烯PTFE等稳定剂，起到稳定分散好后浆料的效果，防止浆料快速沉降，同时在导电浆料制成气体扩散层的应用过程中起到粘结剂的效果。本申请实施例导电浆料中稳定剂的含量为0.15～0.5wt％，若含量过低，会影响导电浆料在碳纤维纸基底上的结合稳定性；若含量过高，则降低了导电浆料中其他功能性组分的含量，容易影响气体扩散层的导电性、导热性、透气性等性能。在一些实施例中，燃料电池气体扩散层导电浆料中，稳定剂的含量包括但不限于0.15～0.2wt％、0.2～0.3wt％、0.3～0.4wt％、0.4～0.5wt％等。
在一些实施例中，润湿剂包括乙醇、异丙醇、甲醇、乙二醇中的至少一种。本申请实施例采用的这些润湿剂用于改善碳纳米管在去离子水中的浸润性和分散性。在一些具体实施例中，燃料电池气体扩散层导电浆料中，润湿剂的含量包括但不限于0.5～1wt％、1～1.5wt％、1.5～2wt％、2～2.5wt％、2.5～3wt％等。
在一些实施例中，溶剂包括水、四氢呋喃、丙酮中的至少一种。本申请实施例中溶剂的质量百分含量为86.5～94.5wt％，该含量充分确保了使原料组分稳定的溶解或分散在导电浆料中，使燃料电池气体扩散层导电浆料有合适的粘度，有利于提高导电浆料的成膜性能。
在一些实施例中，燃料电池气体扩散层导电浆料的粘度为2000～8000mPa﹒s。本申请实施例导电浆料2000～8000mPa﹒s的粘度范围，充分考虑了导电浆料后续成膜的应用要求，若粘度过低，则会导致导电浆料沉积形成的涂层平整度不足，甚至出现无法涂布问题。若粘度过高，则会导致导电浆料涂布出来的涂层容易出现刮痕引起平整度不足等问题。在一些实施例中，燃料电池气体扩散层导电浆料的粘度包括但不限于2000～3000mPa﹒s、3000～4000mPa﹒s、4000～5000mPa﹒s、5000～6000mPa﹒s、6000～7000mPa﹒s、7000～8000mPa﹒s等。
如附图1所示，本申请实施例第二方面提供一种燃料电池气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
S10.按上述燃料电池气体扩散层导电浆料，将配方量的碳纳米管、稳定剂、润湿剂和溶剂进行混合处理，得到预混浆料；
S20.对预混浆料进行高压均质处理，得到导电浆料；
S30.将导电浆料沉积到多孔基底上，干燥得到燃料电池气体扩散层。
本申请实施例第二方面提供的燃料电池气体扩散层的制备方法，按上述燃料电池气体扩散层导电浆料，将配方量的碳纳米管、稳定剂、润湿剂和溶剂进行混合制成预混浆料后，进行高压均质处理，使各原料组分充分混合分散在导电浆料中。然后，将导电浆料沉积到多孔基底上，干燥便得到燃料电池气体扩散层。制备工艺简单，制得导电浆料后通过一步法即可制得燃料电池气体扩散层，不但有利于提高生产效率，降低制造成本；而且导电浆料的配方中，通过阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的协同配合作用，能够在多孔基底表面形成孔隙分布均匀、孔径大小合适的三维网络结构，与多孔基底的孔隙形成梯级分布，充分确保了燃料电池气体扩散层的透气性、导电性、导热性、稳定性、以及亲水/憎水的平衡性等特性。
在一些实施例中，上述步骤S10中，按上述燃料电池气体扩散层导电浆料获取配方量的碳纳米管、稳定剂、润湿剂和溶剂进行混合处理，具体的，包括5～10wt％的碳纳米管，0.15～0.5wt％的稳定剂，0.5～3wt％的润湿剂和余量的溶剂；其中，碳纳米管包括质量比为(99.9～99.95)：(0.05～0.1)的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。
在一些实施例中，混合处理的步骤包括：
S11.将配方量的稳定剂、润湿剂和溶剂进行第一混合处理，得到第一混合物；
S12.将配方量的碳纳米管与第一混合物进行第二混合处理，得到预混浆料。
本申请实施例先将稳定剂、润湿剂和溶剂混合均匀制成混合物，再添加碳纳米管进行混合处理，使碳纳米管充分分散在混合浆料中，得到预混浆料。
在一些实施例中，上述步骤S11中，第一混合处理的条件包括：将配方量的稳定剂、润湿剂和溶剂混合后，在搅拌转速为300～600r/min的条件下处理10～15min；使各组分充分混合均匀，形成第一混合物。
在一些实施例中，上述步骤S12中，第二混合处理的条件包括：将配方量的碳纳米管与第一混合物混合后，在搅拌转速为500～900r/min，分散转速为1000～1300r/min的条件下处理40～90min，通过搅拌转速和分散转速协同作用，促使碳纳米管充分的分散到浆料中。
在一些实施例中，上述步骤S20中，高压均质处理的条件包括：在温度为40～60℃，分散压力为50～300MPa的条件下，对预混浆料均质循环5～15次。通过该条件的高压均质处理，均化碳纳米管的长度，进一步确保碳纳米管均匀稳定地分散到浆料中。在一些实施例中，通过高压均质处理，最终获得长度为30～100μm碳纳米管的浆料，通过高压均质处理切短碳纳米管的长度，使碳纳米管能够均匀稳定的分散到导电浆料中，同时又能保持碳纳米管的理化特性，确保碳纳米管的导电性能和导热性能等。
在一些实施例中，上述步骤S30中，导电浆料在多孔基底上的沉积厚度为200～500μm；该涂覆厚度确保了导电浆料能够在多孔基底表面形成膜层均匀、厚度均一、表面平整的膜层。若导电浆料在多孔基底上的沉积厚度过厚，则会导致后续应用过程中无法装配到燃料电池中，或者导致燃料电池体积过大；若沉积厚度过薄，会影响导电浆料成膜后的膜层性能。
在一些实施例中，干燥后导电浆料在多孔基底表面形成的膜层厚度低于100μm，进一步地为10～100μm。
在一些实施例中，多孔基底选自碳纤维纸基底。
在一些实施例中，将导电浆料沉积在碳纤维纸基底的一侧表面，沉积厚度为200～500μm，在100～140℃的条件下干燥后，得到燃料电池气体扩散层。
本申请实施例第三方面提供一种燃料电池气体扩散层，该燃料电池气体扩散层由上述方法制得。
本申请实施例第三方面提供的燃料电池气体扩散层，由于该燃料电池气体扩散层由上述方法制得，具有透气性好，导电性和导热性优异，稳定性高，使用寿命长，且亲水/憎水平衡性好等特性，有利于提升燃料电池的整体性能。
在一些实施例中，燃料电池气体扩散层的结构示意图如附图2所示，包括多孔碳纤维纸基底，在碳纤维纸基底表面阵列碳纳米管和单壁碳纳米管相互交联缠绕形成三维网络结构，细化了碳纤维纸基底的孔隙结构，使燃料电池气体扩散层中孔隙呈梯度分布，孔隙分布均匀，且大小均一度高。既确保了燃料电池气体扩散层的透气性，又有效提高了燃料电池气体扩散层的全方位导电和导热性能，且稳定性好，亲水/憎水平衡度好，从而有利于提升燃料电池的电化学性能。
为使本申请上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本申请实施例燃料电池气体扩散层导电浆料、气体扩散层及其制备方法的进步性能显著的体现，以下通过多个实施例来举例说明上述技术方案。
实施例1
一种燃料电池气体扩散层导电浆料，包括原料组分：碳纳米管含量控制在5wt％，其中阵列多壁碳纳米管占碳纳米管总质量的99.95wt％，单壁碳纳米管占碳纳米管总质量的0.05wt％，聚偏四氟乙烯稳定剂含量控制在0.15wt％，去离子水94.5wt％，乙醇润湿添加剂占比0.5wt％，粘度为3000mPa﹒s。其中，阵列多壁碳纳米管的管径为7～30nm，长度为30～150μm，长径比为(1000～21500):1，拉曼ID/IG为0.4，粉体电阻率5mΩ﹒cm，导热系数为2800W/(m﹒K)，比表面积为150m2/g，金属含量不高于40ppm，羟基含量10-11mol/mg，羧基含量10-11mol/mg；单壁碳纳米管的管径为0.7～1.8nm，长度为30～100μm，长径比为(16667～143000):1，比表面积为800m2/g，拉曼ID/IG为0.35，粉体电阻率0.1mΩ﹒cm，导热系数为3000W/(m﹒K)，金属含量不高于30ppm，羟基含量10-11mol/mg，羧基含量10-11mol/mg。
一种燃料电池气体扩散层，其制备包括步骤：
1、先称945kg去离子水和5kg乙醇添加剂倒入预分散罐中，然后按照比例称好1.5kgPTFE稳定剂倒入预分散罐中，搅拌机转速为300r/min下处理10min，得到第一混合物。
2、按照比例称好的49.975kg阵列多壁碳纳米管和0.025kg单壁碳纳米管倒入第一预混物中，搅拌机转速为500r/min，分散机转速为1000r/min下处理40min，搅拌混合均匀，使碳纳米管均匀分散，得到预混浆料。
3、将预混浆料转移到分散段物料罐中，然后物料经过高压均质机进行碳纳米管的分散。其中分散过程物料温度为40℃，分散压力为50MPa，均质循环15次，最终获得长度为30-100μm碳纳米管的导电浆料。
4、调节刮刀缝隙至400微米，将制备好的导电浆料涂布于碳纤维纸基体上，120℃条件下烘干，得到燃料电池气体扩散层。
实施例2
一种燃料电池气体扩散层导电浆料，包括原料组分：碳纳米管含量控制在7wt％，其中阵列多壁碳纳米管占碳纳米管总质量的99.9wt％，单壁碳纳米管占碳纳米管总质量的0.1wt％，聚四氟乙烯稳定剂含量控制在0.25wt％，去离子水50.75wt％，四氢呋喃占40wt％，甲醇润湿添加剂占比2wt％，粘度为6000mPa﹒s。其中，阵列多壁碳纳米管的管径为7～30nm，长度为30～150μm，长径比为(1000～21500):1，拉曼ID/IG为0.6，粉体电阻率7mΩ﹒cm，导热系数为2000W/(m﹒K)，比表面积为200m2/g，金属含量不高于30ppm，羟基含量10- 9mol/mg，羧基含量10-9mol/mg；单壁碳纳米管的管径为0.7～1.8nm，长度为30～100μm，长径比为(16667～143000):1，比表面积为1000m2/g，拉曼ID/IG为0.5，粉体电阻率1mΩ﹒cm，导热系数为3500W/(m﹒K)，金属含量不高于30ppm，羟基含量10-12mol/mg，羧基含量10-12mol/mg。
一种燃料电池气体扩散层，其制备包括步骤：
1、先称一定量507.5kg去离子水、400kg四氢呋喃和20kg甲醇润湿添加剂倒入预分散罐中，然后按照比例称好2.5kg聚四氟乙烯稳定剂倒入预分散罐中，搅拌机转速为400r/min下处理12min，得到第一混合物。
2、按照比例称好的69.93kg阵列多壁碳纳米管和0.07kg单壁碳纳米管倒入第一预混物中，搅拌机转速为600r/min，分散机转速为1200r/min下处理60min，搅拌混合均匀，使碳纳米管均匀分散，得到预混浆料。
3、将预混浆料转移到分散段物料罐中，然后物料经过高压均质机进行碳纳米管的分散。其中分散过程物料温度为40℃，分散压力为250MPa，均质循环15次。最终获得长度为30-100μm碳纳米管的导电浆料。
4、调节刮刀缝隙至400微米，将制备好的导电浆料涂布于碳纤维纸基体上，120℃条件下烘干，得到燃料电池气体扩散层。
实施例3
一种燃料电池气体扩散层导电浆料，包括原料组分：碳纳米管含量控制在10wt％，其中阵列多壁碳纳米管占碳纳米管总质量的99.95wt％，单壁碳纳米管占碳纳米管总质量的0.05wt％，聚偏四氟乙烯稳定剂含量控制在0.4wt％，丁苯橡胶稳定剂含量控制在0.1wt％，去离子水86.5wt％，异丙醇润湿添加剂占比3wt％，粘度为7000mPa﹒s。其中，阵列多壁碳纳米管的管径为7～30nm，长度为30～150μm，长径比为(1000～21500):1，拉曼ID/IG为0.8，粉体电阻率10mΩ﹒cm，导热系数为1000W/(m﹒K)，比表面积为250m2/g，金属含量不高于35ppm，羟基含量10-10mol/mg，羧基含量10-10mol/mg；单壁碳纳米管的管径为0.7～1.8nm，长度为30～100μm，长径比为(16667～143000):1，比表面积为1500m2/g，拉曼ID/IG为0.45，粉体电阻率0.5mΩ﹒cm，导热系数为3600W/(m﹒K)，金属含量不高于20ppm，羟基含量10- 11mol/mg，羧基含量10-11mol/mg。
一种燃料电池气体扩散层，其制备包括步骤：
1、先称一定量的865kg去离子水和30kg异丙醇润湿添加剂倒入预分散罐中，然后按照比例称好4kg聚偏四氟乙烯和1kg丁苯橡胶稳定剂倒入预分散罐中，搅拌机转速为600r/min下处理15min，得到第一混合物。
2、按照比例称好的99.95kg阵列多壁碳纳米管和0.05kg单壁碳纳米管倒入第一预混物中，搅拌机转速为900r/min，分散机转速为1300r/min下处理90min，搅拌混合均匀，使碳纳米管均匀分散，得到预混浆料。
3、将预混浆料转移到分散段物料罐中，然后物料经过高压均质机进行碳纳米管的分散。其中分散过程物料温度为40℃，分散压力为300MPa，均质循环15次，最终获得长度为30-100μm碳纳米管的导电浆料。
4、调节刮刀缝隙至400微米，将制备好的导电浆料涂布于碳纤维纸基体上，120℃条件下烘干，得到燃料电池气体扩散层。
实施例4
一种燃料电池气体扩散层导电浆料，包括原料组分：碳纳米管含量控制在5wt％，其中阵列多壁碳纳米管占碳纳米管总质量的99.9wt％，单壁碳纳米管占碳纳米管总质量的0.1wt％，丁苯橡胶稳定剂含量控制在0.35wt％，去离子水80.65wt％，丙酮13wt％，乙二醇润湿添加剂占比1wt％，粘度为5000mPa﹒s。其中，阵列多壁碳纳米管的管径为7～30nm，长度为30～150μm，长径比为(1000～21500):1，拉曼ID/IG为0.7，粉体电阻率8mΩ﹒cm，导热系数为1300W/(m﹒K)，比表面积为200m2/g，金属含量不高于30ppm，羟基含量10-11mol/mg，羧基含量10-11mol/mg；单壁碳纳米管的管径为0.7～1.8nm，长度为30～100μm，长径比为(16667～143000):1，比表面积为1200m2/g，拉曼ID/IG为0.6，粉体电阻率3.5mΩ﹒cm，导热系数为3300W/(m﹒K)，金属含量不高于25ppm，羟基含量10-13mol/mg，羧基含量10-13mol/mg。
一种燃料电池气体扩散层，其制备包括步骤：
1、先称一定量的806.5kg去离子水、13kg丙酮和10kg乙二醇润湿添加剂倒入预分散罐中，然后按照比例称好3.5kg丁苯橡胶稳定剂倒入预分散罐中，搅拌机转速为400r/min下处理10min，得到第一混合物。
2、按照比例称好的碳纳米管倒入第一预混物中，搅拌机转速为700r/min，分散机转速为1200r/min下处理70min，搅拌混合均匀，使碳纳米管均匀分散，得到预混浆料。
3、将预混浆料转移到分散段物料罐中，然后物料经过高压均质机进行碳纳米管的分散。其中分散过程物料温度为60℃，分散压力为200MPa，均质循环5次，最终获得长度为30-100μm碳纳米管的导电浆料。
4、调节刮刀缝隙至400微米，将制备好的导电浆料涂布于碳纤维纸基体上，120℃条件下烘干，得到燃料电池气体扩散层。
对比例1
一种燃料电池气体扩散层导电浆料，包括原料组分：缠绕多壁碳纳米管含量控制在5wt％，聚偏四氟乙烯稳定剂含量控制在0.15wt％，去离子水94.5wt％，乙醇润湿添加剂占比0.5wt％，粘度为3000mPa﹒s。
一种燃料电池气体扩散层，其制备包括步骤：
1、先称一定量的945kg去离子水和5kg乙醇润湿添加剂倒入预分散罐中，然后按照比例称好1.5kgPTFE稳定剂倒入预分散罐中，搅拌机转速为300r/min下处理10min，得到第一混合物。
2、按照比例称好的50kg碳纳米管倒入第一预混物中，搅拌机转速为500r/min，分散机转速为1000r/min下处理40min，搅拌混合均匀，使碳纳米管均匀分散，得到预混浆料。
3、将预混浆料转移到分散段物料罐中，然后物料经过高压均质机进行碳纳米管的分散。其中分散过程物料温度为40℃，分散压力为200MPa，均质循环15次，最终获得长度为0.3-5μm碳纳米管的导电浆料。
4、调节刮刀缝隙至400微米，将制备好的导电浆料涂布于碳纤维纸基体上，120℃条件下烘干，得到燃料电池气体扩散层。
对比例2
一种燃料电池气体扩散层导电浆料，包括原料组分：阵列多壁碳纳米管含量控制在5wt％，聚偏四氟乙烯稳定剂含量控制在0.35wt％，去离子水93.65wt％，乙二醇润湿添加剂占比1wt％，粘度为5000mPa﹒s。其中，阵列多壁碳纳米管的管径为7～30nm，长度为30～150μm，长径比为(1000～21500):1，拉曼ID/IG为0.7，粉体电阻率8mΩ﹒cm，导热系数为1300W/(m﹒K)，比表面积为200m2/g，金属含量不高于30ppm，羟基含量10-11mol/mg，羧基含量10-11mol/mg；
一种燃料电池气体扩散层，其制备包括步骤：
1、先称一定量的936.5kg去离子水和10kg乙二醇润湿添加剂倒入预分散罐中，然后按照比例称好3.5kgPTFE稳定剂倒入预分散罐中，搅拌机转速为400r/min下处理10min，得到第一混合物。
2、按照比例称好的阵列多壁碳纳米管倒入第一预混物中，搅拌机转速为700r/min，分散机转速为1200r/min下处理70min，搅拌混合均匀，使碳纳米管均匀分散，得到预混浆料。
3、将预混浆料转移到分散段物料罐中，然后物料经过高压均质机进行碳纳米管的分散。其中分散过程物料温度为60℃，分散压力为200MPa，均质循环5次，最终获得长度为30-100μm碳纳米管的导电浆料。
4、调节刮刀缝隙至400微米，将制备好的导电浆料涂布于碳纤维纸基体上，120℃条件下烘干，得到燃料电池气体扩散层。
对比例3
一种燃料电池气体扩散层导电浆料，包括原料组分：单壁碳纳米管含量控制在0.2wt％，聚偏四氟乙烯稳定剂含量控制在0.35wt％，去离子水93.65wt％，乙二醇润湿添加剂占比1wt％，粘度为5000mPa﹒s。其中，单壁碳纳米管的管径为0.7～1.8nm，长度为30～100μm，长径比为(16667～143000):1，比表面积为1200m2/g，拉曼ID/IG为0.6，粉体电阻率3.5mΩ﹒cm，导热系数为3300W/(m﹒K)，金属含量不高于25ppm，羟基含量10-13mol/mg，羧基含量10-13mol/mg。
一种燃料电池气体扩散层，其制备包括步骤：
1、先称一定量的936.5kg去离子水和10kg乙二醇润湿添加剂倒入预分散罐中，然后按照比例称好3.5kgPTFE稳定剂倒入预分散罐中，搅拌机转速为400r/min下处理10min，得到第一混合物。
2、按照比例称好的单壁碳纳米管倒入第一预混物中，搅拌机转速为700r/min，分散机转速为1200r/min下处理70min，搅拌混合均匀，使碳纳米管均匀分散，得到预混浆料。
3、将预混浆料转移到分散段物料罐中，然后物料经过高压均质机进行碳纳米管的分散。其中分散过程物料温度为60℃，分散压力为200MPa，均质循环5次，最终获得长度为30-100μm单壁碳纳米管的导电浆料。
4、调节刮刀缝隙至400微米，将制备好的导电浆料涂布于碳纤维纸基体上，120℃条件下烘干，得到燃料电池气体扩散层。
进一步的，为了验证本申请实施例的进步性，在2MPa压强下，分别测试各实施例和对比例燃料电池气体扩散层的电阻，并分别测试孔隙率，以及燃料电池气体扩散层面内方向和厚度方向导热系数。测试结果如下表1所示：
表1
由上述表1测试结果可知，相对于对比例1～3，本申请实施例1～4制得燃料电池气体扩散层，有更低的电阻，导电性能更好，并且燃料电池气体扩散层的孔隙率更高，孔隙分布更均匀，大小更均一。另外，具有更高的面内导热系数和厚度方向导热系数，使得燃料电池气体扩散层具有更全方位的导电和导热性能，在导电导热性能上均有大幅度的提升。
而对比例1由于仅采用缠绕型多壁碳纳米管，长径比小，以相同的涂敷量下，制得的燃料电池气体扩散层GDL电阻呈现偏高问题，孔隙率偏低，导热性能下降明显。对比例2仅采用阵列多壁碳纳米管，以及对比例3仅采用单壁碳纳米管，制得的燃料电池气体扩散层GDL电阻也偏高，孔隙率降低，导热性能也不同程度的降低。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种燃料电池气体扩散层导电浆料，其特征在于，以所述导电浆料的总质量为100％计，包括以下质量百分含量的原料组分：
碳纳米管 5～10％，
稳定剂 0.15～0.5％，
润湿剂 0.5～3％，
溶剂余量；
其中，所述碳纳米管包括质量比为(99.9～99.95)：(0.05～0.1)的阵列多壁碳纳米管和单壁碳纳米管；所述阵列多壁碳纳米管的羟基含量10-9～10-11mol/mg，羧基含量10-9～10-11mol/mg；所述单壁碳纳米管的羟基含量10-11～10-13mol/mg，羧基含量10-11～10-13mol/mg。
2.如权利要求1所述的燃料电池气体扩散层导电浆料，其特征在于，所述阵列多壁碳纳米管的管径为7～30nm，长度为30～100μm，长径比为(1000～14300):1，比表面积为150～250m2/g；
和/或，所述阵列多壁碳纳米管的拉曼ID/IG为0.4～0.8，粉体电阻率5～10mΩ﹒cm，金属含量不高于50ppm，导热系数为1000～2800W/(m﹒K)。
3.如权利要求1所述的燃料电池气体扩散层导电浆料，其特征在于，所述单壁碳纳米管的管径为0.7～1.8nm，长度为30～100μm，长径比为(16667～143000):1，比表面积为800～1500m2/g；
和/或，所述单壁碳纳米管的拉曼ID/IG为0.35～0.7，金属含量不高于50ppm，粉体电阻率0.1～5mΩ﹒cm，导热系数为3000～3980W/(m﹒K)。
4.如权利要求1～3任一项所述的燃料电池气体扩散层导电浆料，其特征在于，所述阵列多壁碳纳米管的管径为7～30nm，长度为30～100μm，长径比为(1000～14300):1，拉曼ID/IG为0.4～0.8，粉体电阻率5～10mΩ﹒cm，导热系数为1000～2800W/(m﹒K)，比表面积为150～250m2/g，金属含量不高于50ppm，羟基含量10-9～10-11mol/mg，羧基含量10-9～10-11mol/mg；
所述单壁碳纳米管的管径为0.7～1.8nm，长度为30～100μm，长径比为(16667～143000):1，比表面积为800～1500m2/g，拉曼ID/IG为0.35～0.7，粉体电阻率0.1～5mΩ﹒cm，导热系数为3000～3980W/(m﹒K)，金属含量不高于50ppm，羟基含量10-11～10-13mol/mg，羧基含量10-11～10-13mol/mg。
5.如权利要求4所述的燃料电池气体扩散层导电浆料，其特征在于，所述稳定剂包括聚偏四氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶的至少一种；
和/或，所述润湿剂包括乙醇、异丙醇、甲醇、乙二醇中的至少一种；
和/或，所述溶剂包括水、四氢呋喃、丙酮中的至少一种。
6.如权利要求5所述的燃料电池气体扩散层导电浆料，其特征在于，所述燃料电池气体扩散层导电浆料的粘度为2000～8000mPa﹒s；
和/或，所述燃料电池气体扩散层导电浆料的粒度为30～100μm。
7.一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按如权利要求1～6任一项所述燃料电池气体扩散层导电浆料，将配方量的碳纳米管、稳定剂、润湿剂和溶剂进行混合处理，得到预混浆料；
对所述预混浆料进行高压均质处理，得到导电浆料；
将所述导电浆料沉积到多孔基底上，干燥得到燃料电池气体扩散层。
8.如权利要求7所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述混合处理的步骤包括：
将配方量的所述稳定剂、所述润湿剂和所述溶剂进行第一混合处理，得到第一混合物；
将配方量的所述碳纳米管与所述第一混合物进行第二混合处理，得到所述预混浆料；
和/或，所述高压均质处理的条件包括：在温度为40～60℃，分散压力为50～300MPa的条件下，均质循环5～15次；
和/或，所述导电浆料在所述多孔基底上的沉积厚度为200～500μm；
和/或，干燥后所述导电浆料在所述多孔基底表面形成的膜层厚度为10～100μm；
和/或，所述多孔基底选自碳纤维纸基底。
9.如权利要求8所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述第一混合处理的条件包括：在搅拌转速为300～600r/min的条件下处理10～15min；
和/或，所述第二混合处理的条件包括：在搅拌转速为500～900r/min，分散转速为1000～1300r/min的条件下处理40～90min。
10.一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由如权利要求7～9任一项所述方法制得。
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN110571412A (zh) * | 2019-05-08 | 2019-12-13 | 东莞市创明电池技术有限公司 | 锂离子电池用硅基负极材料及其制备方法和应用 |
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| WO2022040425A1 (en) * | 2020-08-19 | 2022-02-24 | Ppg Industries Ohio, Inc. | Dispersions of carbon nanotubes for use in compositions for manufacturing battery electrodes |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110571412A (zh) * | 2019-05-08 | 2019-12-13 | 东莞市创明电池技术有限公司 | 锂离子电池用硅基负极材料及其制备方法和应用 |
| CN110783572A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-02-11 | 广州纳诺新材料科技有限公司 | 一种二次电池集流体、导电浆料及其制备方法 |
| WO2022040425A1 (en) * | 2020-08-19 | 2022-02-24 | Ppg Industries Ohio, Inc. | Dispersions of carbon nanotubes for use in compositions for manufacturing battery electrodes |
| CN113036146A (zh) * | 2021-03-10 | 2021-06-25 | 哈尔滨万鑫石墨谷科技有限公司 | 一种碳纳米管导电浆料及其制备方法和应用 |
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