一种燃料电池用高性能气体扩散层及其制备方法与流程

本发明属于燃料电池，具体涉及一种燃料电池用高性能气体扩散层及其制备方法。

背景技术：

1、随着全球能源及环境问题日益严重，高效、环境友好、清洁的新能源技术被认为是21世纪最有发展潜力的新技术。其中，质子交换膜燃料电池不受卡诺循环限制，在航天、交通、固定电站等领域有着广泛的应用前景。

2、膜电极作为燃料电池的核心部件，主要有质子交换膜、催化剂和气体扩散层组成；气体扩散层作为其最重要的部件之一，起着支撑催化剂层、收集电流、提供气体、电子和排水等通道的作用。质子交换膜燃料电池工作时往往不可避免地会出现液态水，液态水有可能堵塞气体扩散层与催化层的孔隙通道，阻碍反应物传输，且过量的液态水会形成“水淹”，导致其性能下降。因此，开发高性能气体扩散层十分重要，而碳纸基材作为气体扩散层的基底和重要支撑，开发适合的疏水处理方法，对于推动质子交换膜燃料电池的发展和商业化应用具有重大意义。

3、申请号为“202110320469.3”的专利“一种燃料电池气体扩散层的制备方法”通过将碳纸基材置于疏水乳液中重复浸渍干燥，实现碳纸基材疏水处理目的，该疏水处理方法存在疏水剂载量一致性较差、且基材内部疏水剂分布不均匀、耗时较长等不足。申请号为“201910373844.3”的专利“面向高电流密度的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法”，通过增加微孔层表面裂纹，提高水管理能力，但裂纹导致表面粗糙度增大，会造成催化层的脱落。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池用高性能气体扩散层及其制备方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池用高性能气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：

3、（1）碳纸基材的一次性真空填充式疏水处理：

4、将碳纸基材置于真空处理装置处理槽底部，将配制好的疏水乳液倒入储液罐中，开启真空泵压力为-0.05 ~ -0.1mpa，打开阀门使疏水乳液缓慢进入处理槽直至浸没碳纸基材，关闭真空泵，泄压，取出碳纸基材，烘干焙烧；

5、（2）高均一性微孔层浆料的配制及涂覆：

6、①配制乳化液；②将碳粉、疏水剂、表面活性剂和造孔剂按照比例加入到醇类溶剂中，进行分散，然后加入乳化液，继续分散；③将分散后的微孔层浆料通过狭缝涂布的方式涂敷于疏水处理过的碳纸基材上，形成微孔层；

7、（3）热固化。

8、优选的，步骤（1）中碳纸基材的一次性真空填充式疏水处理前需进行碳纸基材的饱和度测定。

9、优选的，碳纸基材的饱和度测定的步骤如下：将碳纸基材置于真空处理装置处理槽底部，将去离子水倒入储液罐中，开启真空泵压力为-0.05 ~ -0.1mpa，打开阀门使去离子水缓慢进入处理槽直至浸没碳纸基材，关闭真空泵，泄压，取出碳纸基材，称重得出增重m，通过重量及密度公式v=m⁄ρ计算出碳纸基材体积饱和度，ρ为去离子水密度。

10、优选的，步骤（1）中疏水乳液包括水、疏水剂和表面活性剂，疏水乳液中疏水剂的浓度为1% ~ 20%；疏水剂和表面活性剂的重量比为1:（0.01 ~ 0.2）。

11、优选的，步骤（1）中疏水剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物中的任一种或几种；所述的表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚、吐温、脂肪醇聚氧乙烯谜等非离子表面活性剂中的任一种或几种。

12、优选的，步骤（1）中疏水乳液的制备方法如下：将疏水剂、表面活性剂和去离子水按比例加入到烧杯中，通过机械搅拌、磁力搅拌或超声的方式进行分散，得到疏水乳液。

13、优选的，步骤②中碳粉为xc-72碳粉、石墨化的xc-72、乙炔黑、bp-2000、导电炭黑ec300j或ec600j中的任一种或几种；所述疏水剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物中的任一种或几种；所述的造孔剂为高温分解型无机盐，具体为草酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵等无机盐中的任一种或几种；所述的表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚、吐温、脂肪醇聚氧乙烯谜等非离子表面活性剂中的任一种或几种；所述的醇类溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇等醇类质子溶剂中的任一种或几种；所述的碳粉、疏水剂、造孔剂、表面活性剂及醇类溶剂的质量比为1:（0.1~0.3）:（0.01~0.5）:（0.5~1）:（10 ~ 50）。

14、优选的，步骤①中乳化液浓度为0.5% ~ 10%，乳化液所用的乳化剂为阿拉伯胶、聚氧乙烯醚、烷基苯磺酸钠中的任一种或几种。

15、优选的，所述步骤（3）中热固化的具体步骤为：将涂覆微孔层后的碳纸置于鼓风干燥箱中，按照5℃/min速度升温至240℃，保持0.5h，继续升温至350℃，保持1h，降温后取出，即热固化，得到气体扩散层。

16、与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：本发明中的疏水处理过程，一方面可实现疏水剂在碳纸基材内部均匀裹覆，另一方面，通过测定碳纸基材的饱和度和调控疏水乳液浓度可实现疏水剂载量的精确控制，并可一次完成疏水处理，效率及载量一致性大大提高；所提及的微孔层浆料配制，通过预配制乳化液及调控配制过程，制备了均一、稳定的微孔层浆料，由此制备的气体扩散层性能优越，一致性及稳定性强。此外，该制备方法过程简单，适合气体扩散层的批量化制备。

技术特征：

1.一种燃料电池用高性能气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述燃料电池用高性能气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤（1）中疏水剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物中的任一种或几种；所述的表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚、吐温、脂肪醇聚氧乙烯谜中的任一种或几种。

3.如权利要求1所述燃料电池用高性能气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤（1）中疏水乳液的制备方法如下：将疏水剂、表面活性剂和去离子水按比例加入到烧杯中，通过机械搅拌、磁力搅拌或超声的方式进行分散，得到疏水乳液。

4. 如权利要求1所述燃料电池用高性能气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤②中碳粉为xc-72碳粉、石墨化的xc-72、乙炔黑、bp-2000、导电炭黑ec300j或ec600j中的任一种或几种；所述疏水剂为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物中的任一种或几种；所述的造孔剂为草酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵等无机盐中的任一种或几种；所述的表面活性剂为聚乙二醇辛基苯基醚、吐温、脂肪醇聚氧乙烯谜中的任一种或几种；所述的醇类溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇中的任一种或几种；所述的碳粉、疏水剂、造孔剂、表面活性剂及醇类溶剂的质量比为1:（0.1~0.3）:（0.01~0.5）:（0.5~1）:（10~ 50）。

5. 如权利要求1所述燃料电池用高性能气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤①中乳化液浓度为0.5% ~ 10%，乳化液所用的乳化剂为阿拉伯胶、聚氧乙烯醚、烷基苯磺酸钠中的任一种或几种。

6.如权利要求1所述燃料电池用高性能气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤（3）中热固化的具体步骤为：将涂覆微孔层后的碳纸置于鼓风干燥箱中，按照5℃/min速度升温至240℃，保持0.5h，继续升温至350℃，保持1h，降温后取出，得到气体扩散层。

7.采用权利要求1-6任一方法制备得到的燃料电池用高性能气体扩散层。

技术总结
本发明提供了一种燃料电池用高性能气体扩散层及其制备方法，包括如下步骤：碳纸基材的一次性真空填充式疏水处理、高均一性微孔层浆料的配制及涂覆和热固化处理。疏水处理过程中，通过碳纸基材的饱和度测定及配制均一稳定的疏水乳液，利用真空装置实现乳液一次性填充完成疏水处理，实现了疏水剂在碳纸基材内部均匀裹覆，且载量一致性高；微孔层浆料配制及涂覆过程中，基于表面活性剂、乳化剂的加入及分散过程控制，得到了均一、稳定的微孔层浆料，利用狭缝涂布机进行涂覆，实现了高一致性微孔层的制备；热固化过程中，利用程序升温进行加热处理。该制备方法过程简单，适合气体扩散层的批量化制备。

技术研发人员：段振晓,邵航宇,李磊,常修建,谷军
受保护的技术使用者：河南豫氢动力有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16