一种气体扩散层、及其制备方法和燃料电池与流程

1.本发明涉及电池技术技术领域，特别涉及一种气体扩散层、及其制备方法和燃料电池。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池与传统技术相比，具有能量转换效率高、功率密度高、环境友好、工作温度低、腐蚀性低、运行安静等优点，有望成为最有前途的新能源技术之一。然而为了保持质子交换膜足够的水合作用，通常在气体进入电池之前，通过加湿装置将氢气和空气引入电池外部，同时需要使用加热设备对气体和电池进行加热控温，这些额外的加湿装置和加热设备使系统更加复杂，增加了成本，加湿装置和加热设备还会增加质子交换膜燃料电池自身的空间和重量，不利于携带。因此，研究出能够自我增湿的气体扩散层成为亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

3.基于此，有必要提供一种能够自我增湿的气体扩散层，以解决现有技术中需要设置加湿装置和加热设备以保持质子交换膜足够的水合作用，导致膜燃料电池成本增加的技术问题。
4.本发明提供的一种气体扩散层，包括第一微孔层、第二微孔层和碳纤维基底层，所述第一微孔层叠层设置于所述第二微孔层和所述碳纤维基底层之间，所述第一微孔层由疏水材料和第一导电碳材料制成，所述第二微孔层由亲水材料和第二导电碳材料制成，所述第一微孔层和所述第二微孔层均为多孔结构。
5.进一步地，所述碳纤维底基层的碳纤维长度为5～40毫米。
6.进一步地，所述碳纤维基底层包括碳纸、碳毡、碳布中的一种。
7.进一步地，所述疏水材料为含氟树脂。
8.进一步地，所述第一微孔层的厚度为5～30微米。
9.进一步地，所述第二微孔层的厚度为1～20微米。
10.进一步地，所述第一微孔层的厚度与所述第二微孔层的厚度比例为 1:0.2～1:1。
11.进一步地，所述第一导电碳材料的粒径和所述第二导电碳材料的粒径均为5～200纳米。
12.本发明还提供一种上述气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：
13.将第一导电碳材料、疏水材料、增稠剂和水按照预设比例配置成第一中间体；
14.将所述第一中间体涂布在碳纤维基底层上，干燥后形成第一微孔层；
15.将第二导电碳材料、亲水材料的前驱体材料、水按照预设比例配置成第二中间体；
16.将所述第二中间体涂布在所述第一微孔层上，干燥后形成第二微孔层；
17.对所述碳纤维基底层、所述第一微孔层和所述第二微孔层进行热处理，得到气体扩散层。
18.具体地，所述配置成第二中间体的步骤包括：
19.取0.1～1质量份硅酸盐、5～10质量份碳材料、1～2质量份增稠剂、50～ 100质量份水混合后在10～30℃水浴中以1000～3000rpm搅拌90～150min形成浆料一；
20.将ph值2～5的酸溶液加入浆料一中至ph为4～6，然后在40～60℃温度下以1000～3000rpm速度下搅拌10～30min形成浆料二；
21.在浆料二中加入0.001～0.005质量份的硅烷偶联剂，然后以1000～ 3000rpm搅拌5～15min形成第二中间体浆料；
22.其中，所述硅酸盐为硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾、硅酸镁中的一种；
23.所述增稠剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸中的一种；
24.所述酸溶液为甲酸、乙酸、盐酸、硫酸中的一种；
25.所述偶联剂为甲氧基硅烷偶联剂、乙氧基硅烷偶联剂中的一种；
26.热处理条件为，室温以1～5℃/min的速率升至160～200℃，保温5～30min，然后以1～5℃/min的速率升至320～360℃，保温5～20min。
27.本发明提供的一种燃料电池，包括上述气体扩散层。
28.本发明提供的一种气体扩散层，通过制备二氧化硅前驱体混入浆料中，并通过热处理实现前驱体分解制备具有亲水性能的材料二氧化硅，有效减少了在热处理过程中二氧化硅表面亲水性官能团的损失，亲水性官能团以及水分子相似的极性结构能够保留水分子，在低湿度情况下能够有效地锁住气体中的水分子，以达到自增湿的效果。同时在热处理过程中，前驱体的分解以及浆料中增稠剂的分解，使扩散层的孔隙结构得到进一步的改善，从而提升气体扩散层的水气管理能力。第一微孔层叠层设置于第二微孔层和碳纤维基底层之间，第一微孔层有疏水材料，能够排除多余的水分，防止水分过多堵塞第一微孔层和第二微孔层的孔隙影响传质，降低膜电极性能，第二微孔层锁住部分水分后有利于提高在低湿度下膜电极的运行性能。
附图说明
29.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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例中一种气体扩散层的结构示意图；
31.图2为本发明实施例1制备出的气体扩散层所测得的电池性能曲线图；
32.图3为本发明实施例1中没有第二微孔层制备出的气体扩散层所测得电池性能曲线图。
33.主要元件：
34.100、碳纤维基底层；200、第一微孔层；300、第二微孔层。
35.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
36.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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
37.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
38.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以a和/或b为例，包括a技术方案、b 技术方案，以及a和b同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
39.如图1所示，在一些实施例中，一种气体扩散层包括第一微孔层200、第二微孔层300和碳纤维基底层100，第一微孔层200叠层设置于第二微孔层 300和碳纤维基底层100之间，第一微孔层200由疏水材料和第一导电碳材料制成，第二微孔层300由亲水材料和第二导电碳材料制成，第一微孔层200 和第二微孔层300均为多孔结构。
40.工作时，第二微孔层300有亲水材料，亲水材料中的亲水性官能团以及水分子相似的极性结构能够保留水分子，在低湿度情况下能够有效地锁住气体中的水分子，以达到自增湿的效果。第一微孔层200叠层设置于第二微孔层300和碳纤维基底层100之间，第一微孔层200有疏水材料，能够排除多余的水分，防止水分过多堵塞第一微孔层200和第二微孔层300的孔隙影响传质，降低膜电极性能，第二微孔层300锁住部分水分后有利于提高在低湿度下膜电极的运行性能。
41.具体地，第一导电碳材料和第二导电碳材料可以但不限于为导电碳黑。
42.进一步地，碳纤维基底层100包括碳纸、碳毡、碳布中的一种。碳纸和碳毡的碳纤维长度为5～40毫米。优选地，碳纸和碳毡的碳纤维长度为6～20毫米。碳布是通过连续碳纤维并通过织造或者编织的方式制备。
43.若碳纤维基底层100材料的面密度小于等于15g/m2，则材料各区域面密度公差小于等于15％。若所述基底层材料的面密度大于15g/m2，则材料各区域面密度公差小于等于10％。
44.在一些实施例中，疏水材料为含氟树脂。具体地，以重量计，含氟树脂在第一微孔层200的含量为5％～40％。更具体地，疏水材料为聚四氟乙烯。
45.更进一步地，第一微孔层200的厚度为5～30微米。第二微孔层300的厚度为1～20微米。第一微孔层200的厚度与第二微孔层300的厚度比例为 1:0.2～1:1。第一微孔层200和第二微孔层300的厚度之和为5～40微米。
46.在另一个实施例中，一种气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：
47.s1：将第一导电碳材料、疏水材料、增稠剂和水按照预设比例配置成第一中间体；
48.s2：将第一中间体涂布在碳纤维基底层上，干燥后形成第一微孔层；
49.s3：将第二导电碳材料、亲水材料的前驱体材料、水按照预设比例配置成第二中间
体；
50.s4：将第二中间体涂布在第一微孔层上，干燥后形成第二微孔层；
51.s5：对碳纤维基底层、第一微孔层和第二微孔层进行热处理，得到气体扩散层。
52.具体地，配置成第二中间体的步骤包括：
53.取0.1～1质量份硅酸盐、5～10质量份碳材料、1～2质量份增稠剂、50～100质量份水混合后在10～30℃水浴中以1000～3000rpm搅拌90～150min形成浆料一；
54.将ph值2～5的酸溶液加入浆料一中至ph为4～6，然后在40～60℃温度下以1000～3000rpm速度下搅拌10～30min形成浆料二；
55.在浆料二中加入0.001～0.005质量份的硅烷偶联剂，然后以1000～ 3000rpm搅拌5～15min形成第二中间体浆料；
56.其中，所述硅酸盐为硅酸锂、硅酸钠、硅酸钾、硅酸镁中的一种，对于硅酸盐加入形式若为溶液，需以溶液中硅酸盐的质量计，若加入形式为固体，则其粒径应为0.5～5μm，以保证在浆料中能充分分散；
57.所述增稠剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酸中的一种；
58.所述酸溶液为甲酸、乙酸、盐酸、硫酸中的一种；
59.所述偶联剂为甲氧基硅烷偶联剂、乙氧基硅烷偶联剂中的一种，以实现亲疏水层粘结性能增强的作用；
60.热处理条件为，室温以1～5℃/min的速率升至160～200℃，保温5～30min，然后以1～5℃/min的速率升至320～360℃，保温5～20min。
61.在另一个实施例中，一种燃料电池，包括气体扩散层。
62.为了更好地解释本发明，提供如下具体实施例。
63.实施例1
64.一种气体扩散层的制备方法，碳纤维基底层为碳纸，其中碳纸所用纤维长度在6～15mm之间，面密度参数为15
±
2g/m2。其中具有疏水特性的第一中间体由导电炭黑、聚四氟乙烯、聚乙烯醇2488、水在质量比为1：0.25：0.2： 10的比列下配置而成。其中，导电碳黑的粒径为8～20纳米。将第一中间体涂布在碳纸上，第一中间体干燥后形成第一微孔层。
65.配置第二中间体：
66.取0.5质量份粒径0.5微米的硅酸钠、10质量份导电炭黑、1质量份聚乙二醇600、85质量份水混合后在20℃水浴中以1500rpm搅拌150min形成浆料一；
67.将ph值3的盐酸溶液加入浆料一中至ph为5，然后在50℃温度下以 1500rpm速度下搅拌20min形成浆料二；
68.在浆料二中加入0.003质量份的3～缩水甘油醚氧丙基三甲基硅烷偶联剂，然后以1500rpm搅拌15min形成第二中间体浆料。
69.将第二中间体涂布在第一微孔层上，第二中间体干燥后的形成第二微孔层。第一微孔层的厚度为20微米，第二微孔层的厚度为10微米，干燥后的碳纸在马弗炉中进行热处理，从室温以5℃/min的速率升至180℃，保温20min，然后以5℃/min的速率升至360℃，保温10min,即制得气体扩散层。
70.如图2和图3的曲线图所示，设置了第二微孔层的气体扩散层测出的电池性能会比没有设置第二微孔层的气体扩散层测出的电池性能更好。
71.实施例2
72.一种气体扩散层的制备方法，碳纤维基底层为碳纸，其中碳纸所用纤维长度在6～15mm之间，面密度参数为20
±
2g/m2。其中具有疏水特性的第一中间体由导电炭黑、聚四氟乙烯、聚乙烯醇2488、水在质量比为1：0.25：0.2： 10的比列下配置而成。其中，导电碳黑的粒径为8～20纳米。将第一中间体涂布在碳纸上，第一中间体干燥后形成第一微孔层。
73.配置第二中间体：
74.取0.2质量份粒径2微米的硅酸钠、8质量份导电炭黑、0.8质量份聚乙烯醇2488、80质量份水混合后在20℃水浴中以1500rpm搅拌150min形成浆料一；
75.将ph值3的盐酸溶液加入浆料一中至ph为5，然后在50℃温度下以 1500rpm速度下搅拌20min形成浆料二；
76.在浆料二中加入0.004质量份的3～缩水甘油醚氧丙基三甲基硅烷偶联剂，然后以1500rpm搅拌15min形成第二中间体浆料。
77.将第二中间体涂布在第一微孔层上，第二中间体干燥后的形成第二微孔层。第一微孔层的厚度为20微米，第二微孔层的厚度为5微米，干燥后的碳纸在马弗炉中进行热处理，从室温以5℃/min的速率升至180℃，保温20min，然后以5℃/min的速率升至350℃，保温10min,，即制得气体扩散层。
78.实施例3
79.一种气体扩散层的制备方法，碳纤维基底层为碳纸，其中碳纸所用纤维长度在15～25mm之间，面密度参数为20
±
2g/m2。其中具有疏水特性的第一中间体由导电炭黑、聚四氟乙烯、聚乙烯醇2488、水在质量比为1：0.3：： 0.2：10的比列下配置而成。其中，导电碳黑的粒径为5～10纳米。将第一中间体涂布在碳纸上，第一中间体干燥后形成第一微孔层。
80.配置第二中间体：
81.取10质量份浓度为10％的硅酸钾溶液、9质量份导电炭黑、1质量份聚乙烯醇2488、85质量份水混合后在20℃水浴中以1500rpm搅拌150min形成浆料一；
82.将ph值4的盐酸溶液加入浆料一中至ph为6，然后在50℃温度下以 1500rpm速度下搅拌20min形成浆料二；
83.在浆料二中加入0.005质量份的3～缩水甘油醚氧丙基三甲基硅烷偶联剂，然后以1500rpm搅拌15min形成第二中间体浆料。
84.将第二中间体涂布在第一微孔层上，第二中间体干燥后的形成第二微孔层。第一微孔层的厚度为15微米，第二微孔层的厚度为5微米，干燥后的碳纸在马弗炉中进行热处理，从室温以5℃/min的速率升至180℃，保温20min，然后以5℃/min的速率升至350℃，保温10min,，即制得气体扩散层。
85.实施例4
86.一种气体扩散层的制备方法，碳纤维基底层为碳纸，其中碳纸所用纤维长度在15～25mm之间，面密度参数为15
±
2g/m2。其中具有疏水特性的第一中间体由导电炭黑、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、水在质量比为1：0.4：0.3：10 的比列下配置而成。其中，导电碳黑的粒径为5～10纳米。将第一中间体涂布在碳纸上，第一中间体干燥后形成第一微孔层。
87.配置第二中间体：
88.取5质量份浓度为10％的硅酸钾溶液、10质量份导电炭黑、1质量份聚乙二醇2000、
90质量份水混合后在20℃水浴中以1500rpm搅拌150min形成浆料一；
89.将ph值4的盐酸溶液加入浆料一中至ph为6，然后在50℃温度下以 1500rpm速度下搅拌20min形成浆料二；
90.在浆料二中加入0.005质量份的3～缩水甘油醚氧丙基三甲基硅烷偶联剂，然后以1500rpm搅拌15min形成第二中间体浆料。
91.将第二中间体涂布在第一微孔层上，第二中间体干燥后的形成第二微孔层。第一微孔层的厚度为20微米，第二微孔层的厚度为10微米，干燥后的碳纸在马弗炉中进行热处理，从室温以5℃/min的速率升至180℃，保温20min，然后以5℃/min的速率升至360℃，保温10min,即制得气体扩散层。
92.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。