一种气体扩散层、及其制备方法和用途与流程

文档序号:23795025发布日期:2021-02-02 08:26阅读:来源:国知局

技术特征:
1.一种气体扩散层,其特征在于,所述气体扩散层包括支撑层和依次设置于所述支撑层表面的复合碳材料扩散层和微孔层;所述支撑层为多孔材料,所述复合碳材料扩散层包括碳纳米管和碳纤维。2.如权利要求1所述的气体扩散层,其特征在于,所述支撑层为柔性碳膜,优选为碳纳米管膜、石墨烯膜或碳纤维毡中的任意一种;优选地,所述支撑层的厚度<50μm;优选地,所述支撑层的孔隙率为50%~90%,优选为70~85%;优选地,所述支撑层的孔径>5μm,优选为15~22μm;优选地,所述支撑层中的孔为贯穿性的孔;优选地,所述支撑层中孔的形貌包括圆孔、矩形孔和菱形孔中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述孔的形貌为等规则的孔;优选地,所述支撑层中孔的形貌还包括第一孔与分布于所述第一孔内的n个第二孔;优选地,所述第一孔为非贯穿性的孔;优选地,所述第二孔为贯穿性的孔;优选地,所述n≥1。3.如权利要求1或2所述的气体扩散层,其特征在于,所述复合碳材料扩散层的厚度为10~60μm;优选地,所述复合碳材料扩散层中,碳纳米管和碳纤维质量比为10~3:1~5;优选地,所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨化碳纳米管和羧基化碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述碳纤维包括pp碳纤维、pe短纤维、pva短纤维、lm聚酯短纤维、纤维素短纤维和沥青基碳纤维中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述复合碳材料扩散层的孔隙率为60%~90%;优选地,所述微孔层的孔隙率为50%~80%;优选地,所述微孔层包括碳粉;优选地,所述微孔层中碳粉的担载量为0.2mg/cm2~0.8mg/cm2;优选地,所述碳粉包括乙炔黑、活性炭和石墨粉中的任意一种或至少两种的组合。4.一种如权利要求1-3之一所述气体扩散层的制备方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:在支撑层上涂覆复合碳材料浆料,得到复合碳材料扩散层,然后再涂覆疏水浆料,得到微孔层,煅烧得到气体扩散层。5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于,所述支撑层的制备过程包括:将柔性碳膜造孔,然后除去柔性碳膜中的阳离子;优选地,所述柔性碳膜造孔的方式包括激光打孔、化学造孔和硅板压孔中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述柔性碳膜为碳纳米管膜、石墨烯膜或碳纤维毡中的任意一种;优选地,所述柔性碳膜中阳离子的除去方式为酸洗;优选地,所述酸洗为采用硫酸浸泡;
优选地,所述硫酸的浓度为1~5mol/l;优选地,所述酸洗的温度为50~100℃;优选地,所述酸洗的时间为10~100min。6.如权利要求4或5所述的制备方法,其特征在于,所述复合碳材料浆料的制备过程包括:将碳纤维分散液、碳纳米管分散液、粘结剂和疏水剂混合,得到复合碳材料浆料;优选地,所述复合碳材料浆料中,碳纳米管的含量为0~100wt%,且不含0wt%和100wt%,优选为20wt%~40wt%;优选地,所述复合碳材料浆料中,碳纤维的含量为0~100wt%,且不含0wt%和100wt%,优选为15wt%~25wt%;优选地,所述粘结剂的含量为0~50wt%,且不含0wt%,优选为20wt%~30wt%;优选地,所述疏水剂的含量为0~50wt%,且不含0wt%,优选为20wt%~30wt%;优选地,所述混合的方式为超声;优选地,所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇和酚醛树脂中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述疏水剂包括含氟聚物,优选为聚四氟乙烯;优选地,所述复合碳材料浆料的涂覆方式包括抽滤、刮涂和丝网印刷中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述复合碳材料浆料涂覆之后还包括加压、烘干和清洗的过程;优选地,所述加压的压力为20~60kg/cm2;优选地,所述加压的时间为1~5min;优选地,所述加压的过程在热压机中进行;优选地,所述烘干的温度为20~100℃;优选地,所述清洗为在1~5mol/l硫酸和有机溶剂的混合溶液中清洗;优选地,所述有机溶剂包括乙醇;优选地,所述清洗的温度为30~80℃;优选地,所述清洗的时间为20~100min。7.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述碳纤维分散液的制备过程包括:将碳纤维超声分散,得到碳纤维分散液;优选地,所述碳纤维为单一长度的碳纤维或混合长度的碳纤维;优选地,所述碳纤维包括pp碳纤维、pe短纤维、pva短纤维、lm聚酯短纤维、纤维素短纤维和沥青基碳纤维中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述碳纳米管分散液的制备过程包括:将碳纳米管酸洗,然后与表面活性剂和溶剂混合,得到碳纳米管分散液;优选地,所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨化碳纳米管和羧基化碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述酸洗为采用硫酸浸泡;优选地,所述硫酸的浓度为1~5mol/l;优选地,所述酸洗的温度为50~100℃;优选地,所述酸洗的时间为5~15h;
优选地,所述酸洗之后还包括用乙醇和纯水离心清洗的过程;优选地,所述碳纳米管与表面活性剂的质量比为1:3~1:15;优选地,所述表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和十二烷基硫酸钠中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述溶剂为纯水、乙醇、丙酮和异丙醇中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述混合的方式为超声;优选地,所述超声的仪器为超声仪和/或细胞破碎仪;优选地,所述混合的时间为1~15h;优选地,所述超声的仪器为超声仪,所述混合的时间为5~15h;优选地,所述超声的仪器为细胞破碎仪,所述混合的时间为1~4h。8.如权利要求4-7之一所述的制备方法,其特征在于,所述疏水浆料的制备过程包括:将碳粉浆料与疏水剂混合,得到疏水浆料;优选地,所述碳粉浆料中碳粉的含量为0.4~0.5mg/cm2;优选地,所述碳粉包括乙炔黑、活性炭和石墨粉中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述疏水浆料的涂覆方式包括刮涂、喷涂、丝网印刷和滴涂中的任意一种或至少两种的组合,优选为丝网印刷;优选地,所述煅烧的温度为100~600℃;优选地,所述煅烧的时间为10~100min。9.如权利要求4-8之一所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:(1)支撑层的制备:将柔性碳膜造孔,然后采用1~5mol/l的硫酸,在50~100℃浸泡10~100min,除去柔性碳膜中的阳离子;(2)复合碳材料扩散层的制备:(a)将碳纤维超声分散,得到碳纤维分散液;(b)将碳纳米管在1~5mol/l的硫酸中,50~100℃浸泡5~15h,用乙醇和纯水离心清洗,然后与表面活性剂和溶剂超声混合1~15h,所述碳纳米管与表面活性剂的质量比为1:3~1:15,得到碳纳米管分散液;(c)将碳纤维分散液、碳纳米管分散液、粘结剂和疏水剂超声混合,得到复合碳材料浆料,所述复合碳材料浆料中碳纳米管的含量为20wt%~40wt%,碳纤维的含量为15wt%~25wt%,粘结剂的含量为20wt%~30wt%,疏水剂的含量为20wt%~30wt%;(d)将所述复合碳材料浆料涂覆于步骤(1)得到的支撑层表面,在热压机中20~60kg/cm2压力下加压1~5min,20~100℃烘干,在1~5mol/l硫酸和乙醇的混合溶液中30~80℃清洗20~100min,得到复合碳材料扩散层;(3)微孔层的制备:将碳粉浆料与疏水剂混合,得到疏水浆料,然后将所述疏水浆料涂覆于步骤(2)所述复合碳材料扩散层表面,得到微孔层;(4)将步骤(3)得到的产品在100~600℃煅烧10~100min,得到气体扩散层。10.一种燃料电池,其特征在于,所述燃料电池包括权利要求1-3之一所述的气体扩散层。
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