一种可改善气体传输和水管理能力的气体扩散层的制作方法

1.本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种可改善气体传输和水管理能力的气体扩散层,应用于质子交换膜燃料电池的膜电极内部。


背景技术：

2.全球绿色低碳转型大势下，氢能凭借清洁、高效和资源丰富的特点，其开发和利用已经成为新一轮能源技术变革方向。世界许多国家和地区正围绕氢能加快全产业链布局，行业热度持续升温。
3.燃料电池是利用氢能的主要装置，它具有环保无污染、启动速度快、不受卡诺循环限制能量转化效率高等优点。
4.质子交换膜燃料电池单体电池主要是由膜电极、密封件、流场板、导电板和端板组成。膜电极是质子交换膜燃料电池的关键组件，由质子交换膜、阴/阳极催化层、阴/阳极扩散层组成，是发生电化学反应的主要场所。
5.在电池运行的过程中，反应气体扩散到催化层内进行反应，在阴极生成水。产物水应及时从催化层中排出，否则，水的淹积会堵塞气体传输通道，增大传质阻力。同时加快碳载体腐蚀，减小膜电极寿命，从而使电池性能下降。因此，膜电极内有效的传质通道对其性能的发挥起着重要作用。
6.气体扩散层位于流场板和催化层之间，是负责气体和水的传输的主要组件。通过对气体扩散层进行改进是提高膜电极水管理能力的重要途经。
7.申请号为201910412995.5的专利提出了一种气体扩散层，包括导电多孔基材层、疏水层和微孔层。导电多孔基材层包括碳纤维基材子层、抗压强度子层以及导电粒子。疏水层形成在导电多孔基材层的表面。微孔层由多孔材料组成，分布在疏水层的一侧。这种多层结构的气体扩散层可以提高气体扩散性和排水能力。
8.申请号为202020264563.2的专利提供了一种包含碳基底和双层微孔层的气体扩散层。第一微孔层的重量大于第二微孔层的重量，二者分别位于碳基底的两侧。通过这种具有特殊结构的气体扩散层，来达到提升气体扩散层的目的。
9.上述专利中所提供的组件虽对膜电极的排水能力进行了改善，但没有考虑到膜电极进气端和出气端对水含量的不同需求。在进气端，为保证nafion对质子的传导能力，需要扩散层起到保水作用。而在出气端，为避免电极反应生成的水导致膜电极水淹，需要扩散层具有疏水能力。因此，一种可以实现进/出气口侧气体扩散和水传输分区管理，并且制备简单、容易实现商业化的气体扩散层组件急需被开发。


技术实现要素：

10.为解决上述问题，本实用新型公开了一种可改善气体传输和水管理能力的气体扩散层。通过构建具有亲/憎水分区结构的气体扩散层，来改善膜电极内部的气体传输和水管理情况，进而提升膜电极寿命、改善燃料电池性能。
11.为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
12.一种可改善气体传输和水管理能力的气体扩散层，包括基底层和负载在基底层上的微孔层；
13.所述基底层上具有通过亲水剂浸渍获得的基底层亲水区和通过憎水剂浸渍获得的基底层憎水区；其中所述基底层亲水区处于进气口一侧，面积占基底层总面积的2/3，基底层憎水区处于出气口一侧,面积占基底层总面积的1/3；
14.所述微孔层负载在基底层上，所述微孔层包括微孔层亲水区和微孔层憎水区，所述微孔层亲水区处于进气口一侧,面积占微孔层总面积的1/3，所述微孔层憎水区处于出气口一侧,面积占微孔层总面积的2/3。
15.进一步地，所述基底层材料为碳纸、碳纤维布中的一种，所述基底层厚度为100-300μm，内部含有孔径为10-100 μm的孔结构。
16.进一步地，所述微孔层厚度为20-80μm，内部含有孔径为10-500 nm的孔结构。
17.进一步地，所述微孔层亲水区由碳材料和亲水物质组成亲水浆料后通过喷涂、刮涂、刷涂等方式负载到基底层上，烘干所得到；所述微孔层憎水区由碳材料和憎水物质组成憎水浆料后通过喷涂、刮涂、刷涂等方式负载到基底层上，烘干所得到。
18.本实用新型的有益效果为：
19.本实用新型在现有技术的基础上对气体扩散层的结构进行优化，提供了分别包含亲、憎水区的大孔基底层和微孔层。在燃料电池运行时，进气端主要用于反应气体的传入，出气端主要用于产物水的排出。考虑到进气端只有气体增湿所带入的水，水含量较低，而nafion膜与nafion离聚物传导质子的能力极大依赖于水含量。为保证nafion对质子的高效传导，需要进气端的气体扩散层具有一定的保水能力，所以本实用新型构建了具有亲水性的进气端扩散层，通过具有亲水性的孔结构，来提高膜电极进气端的保水作用。此外，在出气端构建了具有疏水性的扩散层，利用疏水孔来促进液态水从催化层向电池外的转移，从而避免膜电极内由于液态水淹积而导致的反应气体向活性位点扩散的阻力增大和膜电极的耐久性能降低。这种亲、疏水分区的气体扩散层，使气体传入和液态水传出的通道分离，有利于改善膜电极内传质情况，进而提高膜电极在不同运行环境下的性能和使用寿命。
附图说明
20.图1为本实用新型的结构示意图。
21.图2为实施例1和对比例1的应用效果对比图，具体是电化学性能对比图。
22.附图标识列表：
23.11、基底层亲水区，12、基底层憎水区，21、微孔层亲水区，22、微孔层憎水区。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
25.实施例1
26.在一个较佳实施例中，本实用新型气体扩散电极结构如图1所示。包括基底层亲水区11和基底层憎水区12和负载在基底层上的微孔层亲水区21和微孔层憎水区22。
27.气体扩散层的制备方法包括以下步骤：
28.制备具有憎水区和亲水区的基底层：首先制备憎水基底层，将厚度为200μm碳纸的1/3浸入质量分数为10wt.%的聚四氟乙烯分散液中，取出后干燥，在管式炉中氩气气氛保护下430℃下煅烧5h。
29.然后制备亲水基底层，将碳纸的剩余部分浸入到质量分数为5wt.%的nafion溶液中，取出后烘干。
30.本实施例中的碳纸可以采用碳纤维布代替，聚四氟乙烯分散液也可以采用氟化乙烯丙烯、聚二甲硅氧烷中的一种或几种代替。
31.制备具有憎水区和亲水区的微孔层：
32.先配制疏水浆料：将碳材料（vulcan xc-72）和聚四氟乙烯分散液加入到异丙醇和水的混合溶剂中，球磨2h，得到适合喷涂的浆料，其中聚四氟乙烯占碳材料与聚四氟乙烯总质量的30%。
33.配制亲水浆料：将碳材料（vulcan xc-72）和nafion溶液加入到异丙醇中和水的混合溶剂中，球磨2h，使碳粉分散均匀，其中离聚物占碳材料与离聚物总质量的30%。将疏水浆料通过喷涂、刮涂、刷涂等方式负载到碳纸的憎水区上，形成微孔层憎水区。将亲水浆料通过喷涂、刮涂、刷涂等方式负载到碳纸的亲水区上，形成微孔层亲水区。干燥后得到碳载量为1.5mg/cm2的微孔层。
34.本实施例中的碳材料有碳黑、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种。所述亲水物质为全氟磺酸聚合物。所述分散剂为乙醇、异丙醇、乙二醇、水中的一种或几种。疏水浆料由碳材料、疏水物质、分散剂组成。所述碳材料有碳黑、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种。所述疏水物质为聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯、聚二甲硅氧烷中的一种或几种。所述分散剂为乙醇、异丙醇、乙二醇、水中的一种或几种。
35.制备完成后基底层和微孔层共同组成气体扩散层，如图1。
36.制备气体扩散电极：将20wt.%商业pt/c催化剂、nafion溶液、去离子水、异丙醇配制成固含量为5.5%、i/c为0.4的催化剂浆料，通过球磨使浆料分散均匀。将分散好的浆料刷涂在气体扩散层上，制备气体扩散电极，阴极pt载量为0.4mg/cm2,阳极pt载量为0.2mg/cm2。
37.组装膜电极：将阴极气体扩散电极、nafion膜（nafion 117）、阳极气体扩散电极依次放置，在135℃的热压机中5kpa下热压135s，得到膜电极。
38.将膜电极用于燃料电池测试，测试条件:电池工作面积为5cm2，温度80℃，湿度100%rh，氢气、氧气流量分别为0.5l/min，背压分别为100 kpa。
39.对比例1
40.制备疏水基底层。将厚度为200μm碳纸的完全浸入到质量分数为10wt.%的聚四氟乙烯分散液中，取出后干燥，然后在管式炉中氩气气氛保护下430℃下煅烧5 h制备疏水的微孔层。将与实施例1相同的疏水浆料涂覆在疏水处理后碳纸的一面，干燥后得到碳载量为1.5mg/cm2的疏水微孔层。
41.制备气体扩散电极和组装膜电极的方法与实施例1相同。
42.将该对比例进行燃料电池测试，测试方法与实施例1相同。两者的极化曲线与功率密度曲线如图2所示。测试结果表明实施例1具有比对比例1更高的功率密度和极限电流密度。
43.需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，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，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。