一种高温低湿适用气体扩散层制备方法与流程

本发明涉及燃料电池
技术领域：
，具体而言，尤其涉及一种高温低湿适用气体扩散层制备方法。
背景技术：
：膜电极(mea)作为质子交换膜燃料电池的核心部件，对电池性能起到决定性作用。在mea中nafion膜需要有充足水分以保持膜良好的质子传导性，质子传导率与膜中的水含量存在正比关系，水含量越高，质子传导速率就越快，水含量不足时会导致膜的质子传导率急剧下降。因此保证pemfc稳定运行的关键是保持质子交换膜和催化层中nafion树脂水含量充足。燃料电池在运行的过程中会产生大量水分，但这些水分在阴极生成并会被过量的空气所带走，这些水分并不能保证质子交换膜水分含量充足；因此在目前的燃料电池技术应用中，均需要采用外部增湿或者内部增湿的方式对进入电池前的气体进行额外加湿，以维持nafion膜和阳极催化层的润湿程度，而由此带来的附加的增湿设备增加了燃料电池系统的复杂性和能量消耗，燃料电池的功率密度降低，燃料电池的成本增加，出现水热管理困难的系列问题，严重阻碍了燃料电池的商业化发展的进程。申请号为cn105742666a的专利公开了一种用碳纳米管气体扩散层的制备方法和应用，提到的cvd方法制备的气体扩散层内侧无需额外添加憎水剂，由于碳纳米管具有强疏水性，因此碳纳米管集中生长的气体扩散层内侧具有疏水性，无憎水粘结剂添加的情况下接触角为130～150°，这种气体扩散层在内侧不需要额外添加疏水剂，能够同时具备良好的疏水、导电和传质能力。专利中制备的碳纳米管气体扩散层呈现各向异性，垂直于气体扩散层平面方向的碳纳米管密度由外向内递增；在平行于气体扩散层平面的方向上，碳纳米管密度均一，具有良好的传质和导电能力,有效解决质子交换膜燃料电池在高电流密度下的水淹问题。在大孔炭基底上利用碳纳米管进行原位生长制备气体扩散层，由于生长的碳纳米管之间存在着较强的范德华力使其生长后极易缠绕且发生团聚现象，碳纳米管的有效长径比显著降低，从而出现管与管之间的滑移现象，且采用常规分散手段难以使其均匀分散。cvd直接添加碳纳米管的方法制备的气体扩散层性能不稳定。cvd完整过程相对复杂，过程中各项参数如碳源气体、温度、催化剂、时间等对生长出的碳纳米管的分布、形貌及结构均有较大影响，操作重复性较低。另cvd所制备的碳纳米管气体扩散层表面均一性较差，因此制备所得的mea性能会受到均一性的影响。技术实现要素：根据上述提出现有技术中采用的外部增湿或者内部增湿的方式对进入电池前的气体进行额外加湿，维持nafion膜和阳极催化层的润湿程度，增加了燃料电池系统的复杂性和能量消耗，降低了功率密度，增加了成本以及水热管理困难等技术问题，而提供一种高温低湿适用气体扩散层制备方法。本发明主要通过在微孔层原有配料不添加疏水剂、造孔剂的条件下加入适量vgcf-h及nafion，可提高mea在高温低湿工况下的性能，还有利于优化mea的水管理能力。本发明采用的技术手段如下：一种高温低湿适用气体扩散层制备方法，包括：将高导电性材料、碳纳米管、亲水剂和分散液通过搅拌的方式配制成成分均匀的浆料；其中，碳纳米管采用vgcf-h；通过丝网印刷的方式将浆料均匀的分布在支撑材料上；通过喷涂的方式在分布有浆料的支撑材料的表面喷涂nafion溶液形成气体扩散层。进一步地，分散液的分散介质采用加入了炭黑的异丙醇。进一步地，炭黑与vgcf-h的质量比为1:0.5至1:1.5。进一步地，分散液为nafion水分散液；nafion水分散液中nafion的含量为6g至14g；nafion作为浆料的粘结剂。进一步地，支撑材料为经疏水处理的碳纸；丝网印刷的网印厚度为20μm至50μm。较现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供的高温低湿适用气体扩散层制备方法，通过在微孔层原有配料不添加疏水剂、造孔剂的条件下加入适量vgcf-h及nafion；利用vgcf制得该气体扩散层具有孔径较大、孔体积较大的特点，使用该气体扩散层制备的mea不仅可提高mea在高温低湿工况下的性能，还有利于优化mea的水管理能力。综上，应用本发明的技术方案通过在微孔层原有配料不添加疏水剂、造孔剂的条件下加入适量vgcf-h及nafion，可提高mea在高温低湿工况下的性能，还有利于优化mea的水管理能力。因此，本发明的技术方案解决了现有技术中采用的外部增湿或者内部增湿的方式对进入电池前的气体进行额外加湿，维持nafion膜和阳极催化层的润湿程度，增加了燃料电池系统的复杂性和能量消耗，降低了功率密度，增加了成本以及水热管理困难等技术问题。基于上述理由本发明可在燃料电池等领域广泛推广。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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明所述气体扩散层的结构示意图。图2为本发明所述微孔层表面形貌。图3为本发明所述气体扩散层接触角。图4为实施例1与比较例1在80℃-rh60％高温低湿工况下的单电池极化曲线。图5为实施例1与比较例1在80℃-rh40％高温低湿工况下的单电池极化曲线。图中：1、碳纸基底；2、微孔层。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。实施例1本发明提供了一种高温低湿适用气体扩散层制备方法，包括：将高导电性材料、碳纳米管、亲水剂和分散液通过搅拌的方式配制成成分均匀的浆料；其中，碳纳米管采用vgcf-h；通过丝网印刷的方式将浆料均匀的分布在支撑材料上；通过喷涂的方式在分布有浆料的支撑材料的表面喷涂nafion溶液形成气体扩散层，形成具有特殊孔结构和适当亲疏水性的气体扩散层，此气体扩散层具有孔径大、孔体积大的特点，使得气体扩散层自身在保水性上有一定优势，这样即能很好地保持质子交换膜的润湿又能使气体更好地与催化剂接触，还提高了mea电性能。进一步地，分散液的分散介质采用加入了炭黑的异丙醇。进一步地，炭黑与vgcf-h的质量比为1:0.5至1:1.5。进一步地，分散液为nafion水分散液；nafion水分散液中nafion的含量为6g至14g；nafion作为浆料的粘结剂。进一步地，支撑材料为经疏水处理的碳纸；丝网印刷的网印厚度为20μm至50μm。浆料的粘度较低，同样适用于丝网印刷的涂布方式，还需控制浆料渗入碳纸的厚度。本发明提供的制备方法操作过程简单，所需原材料种类少，设备要求低。通常所用的碳纳米管有cnt、cf、vgcf-h等，本发明采用的碳纳米管为vgcf-h。碳纳米管具有疏水性，微孔层含有碳纳米管后不需要添加憎水剂，微孔层mpl的接触角范围为150°-170°，疏水性影响生成水的排出速率，mpl的疏水性需要根据质子交换膜燃料电池的运行条件决定。制备mea时，气体扩散层gdl无需焙烧，将涂覆了催化剂的质子交换膜(ccm)与气体扩散层以及聚酯边框通过压合的方式制成mea，压合过程的压强为40kg/cm2-100kg/cm2。进一步地，对采用本发明所述方法制备的气体扩散层进行观察或测试，然后采用该气体扩散层制备mea并进行性能测试，具体操作过程如下：1)将质量分数大于5％的nafion浓缩液用去离子水稀释至5％，搅拌均匀；2)称取3g炭黑、1gvgcf-h、13.16g5％的nafion水分散液倒入一定量异丙醇中，搅拌均匀制成粘度在80cp-150cp之间的浆料；3)采用丝网印刷的方法将上述浆料涂覆在经疏水处理过的碳纸上，形成涂敷厚度为20μm的微孔层；制备的气体扩散层结构示意图如图1所示；4)观察气体扩散层微孔层的表面形貌，如图2所示；5)对微孔层表面进行粗糙度测试；其中，比较例1为现有技术生产扩散层，实验过程中浆料未添加vgcf，全部比例为炭黑，总量相同；不添加nafion，用ptfe做替换，用量相同，其他工艺参数与实施例1相同；测试结果如表1所示；表1微孔层表面粗糙度测试结果样品名称界面展开面积比最大高度差(μm)比较例14.01363.7实施例13.16357.446)将所制得的气体扩散层与ccm、聚酯边框通过油压机施加100kg/cm2的力压制成有效反应面积为25cm2的mea(共2片)；7)将6)所制的mea中剩余的1片组装成单电池，进行初始性能测试；单电池结构示意图如图3所示；测试装置为850e-885燃料电池测试系统，测试单电池的极化曲线，80℃rh60％工况条件下结果如图4所示，80℃rh40％工况条件下结果如图5所示。观察及测试结果：如图1所示，具有大孔径的疏水性碳纸基底1上微孔网印一层添加了vgcf-h碳纳米管的浆料形成孔径较大的微孔层2，且孔的体积较大。如图2所示，由微孔层的表面形貌可知比较例1微孔层加入碳纳米管后表面平整致密，微孔层大部分裂纹和坑洞消失。如表1所示，比较例1、实施例1厚度相近，使用表面粗糙度测试仪获取了样品表面的界面展开比和最大高度差，厚度相近的条件下，测试数值没有明显变化。如图3所示，由实验制得的气体扩散层接触角结果可知，在未加入疏水剂的情况下，加入碳纳米管后的气体扩散层表面表现疏水性。如图4所示，实施例1与比较例1的单电池极化曲线在高温低湿工况下(80℃-rh60％)的电性能说明：比较例1和实验例1微孔层总厚度保持一致的情况下，加入碳纳米管的气体扩散层组成的质子交换膜燃料电池的性能更好，低电密区保水能力优于比较例，水管理能力有所提高，可提高mea的传质性能。如图5所示，实施例1与比较例1的单电池极化曲线在高温低湿工况下(80℃-rh40％)的电性能说明：继续降低工况增湿度，比较例和实验例微孔层总厚度保持一致的情况下，加入碳纳米管的气体扩散层组成的质子交换膜燃料电池的性能更好，水管理能力优势明显，可提高mea的传质性能。实施例1与比较例1的单电池极化曲线说明加入一定量的vgcf-h的微孔层结构的气体扩散层在高温低湿工况下具有一定保水性，在一定湿度范围内可有效提高质子交换膜燃料电池的电性能。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。当前第1页1 2 3