CN115621474B - 一种气体扩散层及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气体扩散层及其制备方法和应用，属于燃料电池领域。本发明提供的具有离子吸附过渡层的气体扩散层，所述离子吸附过渡层位于基底层与微孔层之间，用于及时吸附燃料电池系统内产生的流向膜电极的铁、铜、铬等金属离子，防止金属离子随水汽转移到膜电极的催化层中，导致膜电极寿命下降。本发明解决了金属离子对膜电极性能和寿命的负面影响，利用离子吸附性金属有机框架材料的超高比表面积和超高吸附容量对金属离子产生产期稳定的吸附作用，降低金属离子对膜电极的污染，提高膜电极使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种气体扩散层及其制备方法和应用。
背景技术
燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。为增加电料电池电堆的体积功率比，体积更小的金属双极板的使用逐渐增多。这就导致了需要更多地考虑电堆系统以及金属双极板中金属离子的析出对于膜电极的挑战。金属阳离子入侵到膜电极中将对催化剂产生危害，降低催化剂性能并缩减燃料电池寿命。通过不断提高金属双极板耐蚀性能够有效改善离子析出问题。同时，采取有效的措施阻止离子扩散至催化剂层，同样也是必要的防护手段。
气体扩散层作为质子交换膜燃料电池的膜电极(MEA)的重要组件，起到扩散反应气体(氢气、空气和水汽)和支撑催化层作用，同时也能够将燃料电池反应中生成的水及时排出。对于溶于水的金属离子来说，气体扩散层是其入侵催化层的必经途径。传统的气体扩散层主要以碳化导电材料为主，除了利用分级孔促进水的排出外，并没有其他有效手段对金属离子进行防护，导致金属离子在水、气的运载下污染催化层，性能降低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气体扩散层及其制备方法和应用。本发明提供的气体扩散层将融入水汽中的金属离子吸附、固定在MOF材料的孔道之内，形成对膜电极催化层的保护屏障，保证催化性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种气体扩散层，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料。
优选地，所述离子吸附型金属有机框架材料包括JLU-MOF60、ZJU-101、TMU-23和TMU-24中的一种或多种。
优选地，所述离子吸附型金属有机框架材料为纳米级晶体粉末，所述纳米级晶体粉末的粒径为20～500nm。
优选地，所述离子吸附过渡层的厚度为20～25μm。
优选地，所述微孔层的厚度为25～30μm。
本发明还提供了上述技术方案所述的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
在基底层表面依次喷涂离子吸附过渡层浆料和微孔层浆料，得到所述气体扩散层，所述离子吸附过渡层浆料中含有离子吸附型金属有机框架材料。
优选地，所述喷涂的温度独立地为80～90℃。
优选地，喷涂所述微孔层浆料后还包括热处理，所述热处理的过程为在230～250℃恒温30min，然后升温至330～340℃保温60min。
优选地，所述离子吸附过渡层浆料中还含有无水乙醇、导电炭黑和聚四氟乙烯乳液。
本发明还提供了上述技术方案所述的气体扩散层或上述技术方案所述制备方法制得的气体扩散层在燃料电池中的应用。
本发明提供了一种气体扩散层，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料。
本发明提供的是一种具有离子吸附过渡层的气体扩散层，用以解决金属离子对膜电极的负面影响。引入离子吸附型金属有机框架(MOF)材料在基底层与微孔层之间，利用MOF材料金属节点与有机配体螯合产生的对金属离子的吸附作用，将融入水汽中的金属离子吸附、固定在MOF材料的孔道之内，用于及时吸附燃料电池系统内产生的流向膜电极的铁、铜、铬等金属离子，防止金属离子随水汽转移到膜电极的催化层中，有效降低燃料电池系统内特别是金属双极板析出的金属离子对于膜电极催化层的损伤，形成对膜电极催化层的保护屏障。且MOF材料超高的比表面积所带来的超高吸附容量，能保证足以吸附整个燃料电池使用期间所产生的流向膜电极侧的微量金属离子。同时MOF材料具有极高的热稳定性，其热解温度远高于燃料电池的工作温度，能够确保其在长期使用中不会被热解。
进一步地，本发明中MOF材料在尺寸上为纳米级晶粒，能良好分散于离子吸附过渡层的孔隙周围，而不会对气体扩散层的透气性产生负面影响。
本发明还提供了上述技术方案所述的气体扩散层的制备方法，本发明制备方法简单，工艺流程短，适于工业化生产。
具体实施方式
本发明提供了一种气体扩散层，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料。
在本发明中，若无特殊说明，使用的原料均为本领域市售商品。
在本发明中，所述离子吸附型金属有机框架材料优选包括JLU-MOF60、ZJU-101、TMU-23和TMU-24中的一种或多种。
在本发明中，所述离子吸附型金属有机框架材料优选为纳米级晶体粉末，所述纳米级晶体粉末的粒径优选为20～500nm，更优选为130～260nm。
在本发明中，所述离子吸附型金属有机框架材料(MOF)优选为常规水热条件下采用表面活性剂抑制合成法或通过湿球研磨法制备的纳米级MOF晶体粉末。
在本发明中，所述基底层优选为碳纸、碳布、碳毡或导电聚合物基薄膜。
在本发明中，所述离子吸附过渡层的厚度优选为20～25μm。
在本发明中，所述微孔层的厚度优选为25～30μm。
在本发明中，所述微孔层的孔径优选为100～500nm。
本发明还提供了上述技术方案所述的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
在基底层表面依次喷涂离子吸附过渡层浆料和微孔层浆料，得到所述气体扩散层，所述离子吸附过渡层浆料中含有离子吸附型金属有机框架材料。
在本发明中，所述离子吸附过渡层浆料中优选还含有无水乙醇、导电炭黑和聚四氟乙烯(PTFE)乳液。
在本发明中，所述离子吸附过渡层浆料中PTFE乳液中PTFE质量浓度优选为10～15％，所述导电炭黑的加入量优选为PTFE质量的20～25％，所述MOF的质量优选为导电炭黑质量的20～40％，更优选为30％。
本发明优选先将导电炭黑和MOF分散至无水乙醇中，并加入PTFE乳液，采用漩涡振荡5～10min，超声振荡1～2h，搅拌10～20min，得到所述离子吸附过渡层浆料，所述超声振荡的频率优选为40kHz，温度优选为室温。
在本发明中，所述微孔层浆料优选包括无水乙醇、导电炭黑和PTFE乳液。
在本发明中，所述微孔层浆料的PTFE乳液中PTFE质量浓度优选为15～20％，以形成一定的孔隙率梯度；所述导电炭黑的加入量优选为PTFE质量的20～25％。
本发明优选先将导电炭黑分散至无水乙醇中，并加入PTFE乳液，搅拌5～10min，超声振荡40～60min，再次搅拌10～20min，得到所述微孔层浆料，所述超声振荡的频率优选为40kHz，温度优选为室温。
在本发明中，所述喷涂的温度独立地优选为80～90℃。本发明对所述喷涂的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
在本发明中，喷涂所述微孔层浆料后优选还包括热处理，所述热处理的过程优选为在230～250℃恒温30min，然后升温至330～340℃保温60min。在本发明中，所述230～250℃恒温的目的是去除PTFE或MOF材料表面的活性剂，330～340℃恒温目的的熔融PTFE，使得PTFE粘结在基底层的表面，使离子吸附过渡层与微孔层结合更紧密。
在本发明中，所述升温的升温速率优选为5～15℃/min。
本发明还提供了上述技术方案所述的气体扩散层或上述技术方案所述制备方法制得的气体扩散层在燃料电池中的应用。
本发明对所述应用的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的气体扩散层及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种具有离子吸附过渡层的气体扩散，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料，所述离子吸附型金属有机框架(MOF)材料为TMU-23，为纳米级晶体粉末，粒径范围为130～260nm，基底层采用厚度为180μm的碳纸。
离子吸附过渡层的制备包括如下步骤：先将导电炭黑和MOF粉末分散至无水乙醇中，并加入PTFE乳液，采用漩涡振荡5min，超声振荡1h，搅拌20min，得到离子吸附过渡层浆料；PTFE乳液中PTFE质量浓度为10％，导电炭黑的加入量是PTFE质量的20％，MOF材料的质量为导电炭黑质量的30％，超声振荡的频率为40kHz，温度为室温；将所得离子吸附过渡层浆料喷涂于碳纸表面，喷涂过程在电热板上进行，温度为90℃，喷涂厚度为30μm；
微孔层的制备包括如下步骤：将导电炭黑分散至无水乙醇中，并加入PTFE乳液，搅拌10min，超声振荡60min，再次搅拌20min，得到微孔层浆料；PTFE乳液中PTFE质量浓度为20％；导电炭黑的加入量为PTFE质量的25％，超声振荡频率为40kHz，温度为室温；将所得微孔层浆料喷涂于过渡层表面，喷涂过程在电热板上进行，温度为90℃，喷涂厚度为20μm，至此得到完整气体扩散层；
喷涂完成后进行热处理，热处理温度为250℃，恒温30min，进而升温至330℃，恒温60min，升温速率为5℃/min。
实施例2
一种具有离子吸附过渡层的气体扩散，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料，所述离子吸附型金属有机框架(MOF)材料为TMU-24，为纳米级晶体粉末，粒径范围为100～230nm，基底层采用厚度为180μm的碳纸。
离子吸附过渡层的制备包括如下步骤：先将导电炭黑和MOF粉末分散至无水乙醇中，并加入PTFE乳液，采用漩涡振荡5min，超声振荡1h，搅拌20min，得到离子吸附过渡层浆料；PTFE乳液中PTFE质量浓度为15％，导电炭黑的加入量是PTFE质量的25％，MOF材料的质量为导电炭黑质量的20％，超声振荡的频率为40kHz，温度为室温；将所得离子吸附过渡层浆料喷涂于碳纸表面，喷涂过程在电热板上进行，温度为90℃，喷涂厚度为30μm；
微孔层的制备包括如下步骤：将导电炭黑分散至无水乙醇中，并加入PTFE乳液，搅拌10min，超声振荡60min，再次搅拌20min，得到微孔层浆料；PTFE乳液中PTFE质量浓度为15％；导电炭黑的加入量为PTFE质量的25％，超声振荡频率为40kHz，温度为室温；将所得微孔层浆料喷涂于过渡层表面，喷涂过程在电热板上进行，温度为90℃，喷涂厚度为20μm，至此得到完整气体扩散层；
喷涂完成后进行热处理，热处理温度为250℃，恒温30min，进而升温至330℃，恒温60min，升温速率为10℃/min。
实施例3
一种具有离子吸附过渡层的气体扩散，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料，所述离子吸附型金属有机框架(MOF)材料为JLU-MOF60和ZJU-101，为纳米级晶体粉末，粒径范围为210～460nm，JLU-MOF60和ZJU-101的质量比为1：1，基底层采用厚度为180μm的碳纸。
离子吸附过渡层的制备包括如下步骤：先将导电炭黑和MOF粉末分散至无水乙醇中，并加入PTFE乳液，采用漩涡振荡5min，超声振荡1h，搅拌20min，得到离子吸附过渡层浆料；PTFE乳液中PTFE质量浓度为10％，导电炭黑的加入量是PTFE质量的20％，MOF材料的质量为导电炭黑质量的40％，超声振荡的频率为40kHz，温度为室温；将所得离子吸附过渡层浆料喷涂于碳纸表面，喷涂过程在电热板上进行，温度为90℃，喷涂厚度为30μm；
微孔层的制备包括如下步骤：将导电炭黑分散至无水乙醇中，并加入PTFE乳液，搅拌10min，超声振荡60min，再次搅拌20min，得到微孔层浆料；PTFE乳液中PTFE质量浓度为20％；导电炭黑的加入量为PTFE质量的20％，超声振荡频率为40kHz，温度为室温；将所得微孔层浆料喷涂于过渡层表面，喷涂过程在电热板上进行，温度为90℃，喷涂厚度为20μm，至此得到完整气体扩散层；
喷涂完成后进行热处理，热处理温度为250℃，恒温30min，进而升温至330℃，恒温60min，升温速率为15℃/min。
对实施例1～3制得的气体扩散层的性能参数进行测试，结果如表1所示，可知，本发明采用离子吸附型金属有机框架(MOF)材料作为气体扩散层的离子吸附过渡层，利用MOF孔道内吸附位点对金属离子的强吸附作用，有效降低燃料电池系统内特别是金属双极板析出的金属离子对于膜电极催化层的损伤，MOF材料在尺寸上为纳米级晶粒，能良好分散与过渡层的孔隙周围，而不会对气体扩散层的透气性产生负面影响，MOF材料具有超高的比表面积和高吸附容量，确保离子吸附过渡层有能力吸收燃料电池在长期使用中产生的流向膜电极的金属离子。
表1实施例1～3气体扩散层的性能参数
| 性能指标 | 厚度(mm) | 孔隙率(％) | 透气率 | 接触角(°) | 电阻率(mΩ·cm) |
| 实施例1 | 0.232 | 73.6 | 73 | 123.5 | 46.3 |
| 实施例2 | 0.231 | 71.8 | 71 | 115.6 | 39.8 |
| 实施例3 | 0.235 | 78.1 | 78 | 130.1 | 51.6 |
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种气体扩散层，其特征在于，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料；
所述离子吸附型金属有机框架材料包括JLU-MOF60、ZJU-101、TMU-23和TMU-24中的一种或多种；
所述离子吸附型金属有机框架材料为纳米级晶体粉末，所述纳米级晶体粉末的粒径为20～500nm。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述离子吸附过渡层的厚度为20～25μm。
3.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述微孔层的厚度为25～30μm。
4.权利要求1～3任一项所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在基底层表面依次喷涂离子吸附过渡层浆料和微孔层浆料，得到所述气体扩散层，所述离子吸附过渡层浆料中含有离子吸附型金属有机框架材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述喷涂的温度独立地为80～90℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，喷涂所述微孔层浆料后还包括热处理，所述热处理的过程为在230～250℃恒温30min，然后升温至330～340℃保温60min。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述离子吸附过渡层浆料中还含有无水乙醇、导电炭黑和聚四氟乙烯乳液。
8.权利要求1～3任一项所述的气体扩散层或权利要求4～7任一项所述制备方法制得的气体扩散层在燃料电池中的应用。
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