一种风冷用气体扩散层及其制备方法与流程

本发明属于燃料电池，尤其涉及一种风冷用气体扩散层及其制备方法。

背景技术：

1、燃料电池是一种高效能源转换装置，与内燃机等传统能源转换技术相比，它是将燃料中的化学能(如氢、甲醇、乙醇、天然气等)转化为电能，反应过程中不受卡诺循环的限制，具有更高的能量转换效率和更低的温室气体排放。

2、在众多燃料电池中，质子交换膜燃料电池因其清洁、高效、零污染、操作温度低、启动迅速等特点，被认为是最具潜力的能源转换装置。气体扩散层(gas diffusion layer，gdl)作为质子交换膜燃料电池的关键组成部件，主要由基材(碳纸或碳布)和微孔层组成，承担着传质、传热以及导电等作用。在燃料电池电堆设计过程中，气体扩散层的选择对燃料电池性能的影响很大，通常需要在厚度、比重、压缩率、孔隙率、疏水度、电导率特性、热导率特性和气体扩散特性这几个方面做综合的权衡与考量，其性能好坏直接决定了质子交换膜燃料电池的使用寿命以及效率。

3、对于质子交换膜燃料电池来说，膜电极的温度和湿度是输出性能的关键影响因素。而风冷堆在阴极侧依赖高流速的空气传质和散热，这会导致膜电极的湿度会因为高流速的空气吹扫而下降，从而影响电堆的性能输出。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种风冷用气体扩散层及其制备方法，旨在解决现有的风冷堆运行时，膜电极内的水分快速蒸发，导致燃料电池电堆性能快速衰减等问题。

2、为了达到上述目的，一方面，本发明实施例提供一种风冷用气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：

3、s01、采用50目～200目(根据实际使用的需要，可以为50目，或者为100目，或者为150目，或者为200目等等)的网板，将浆料印刷至平铺的预处理碳纸上，得到印刷碳纸；印刷厚度为30μm～80μm(根据实际使用的需要，可以为30μm，或者为50μm，或者为60μm，或者为80μm等等)；

4、s02、于200℃～500℃(根据实际使用的需要，可以为200℃，或者为300℃，或者为400℃，或者为500℃等等)，将步骤s01的印刷碳纸进行热处理5min～60min(根据实际使用的需要，可以为5min，或者为15min，或者为45min，或者为60min等等)，得到风冷用气体扩散层；

5、所述浆料含有按照质量比计为0.05：1：20：(0.01-2)(根据实际使用的需要，可以为0.05：1：20：0.01，或者为0.05：1：20：0.2，或者为0.05：1：20：1.0，或者为0.05：1：20：2等等)的树脂、碳粉、去离子水和正硅酸乙酯，优选为0.05：1：20：0.2的树脂、碳粉、去离子水和正硅酸乙酯。

6、作为优选的实施方式，步骤s01中，

7、所述浆料通过如下方法制备得到：将树脂、碳粉、去离子水和正硅酸乙酯按质量比0.05：1：20：0.2混合搅拌2h～8h(根据实际使用的需要，可以为2h，或者为3h，或者为5h，或者为8h等等)，然后球磨1h～4h(根据实际使用的需要，可以为1h，或者为2h，或者为3h，或者为4h等等)，得到浆混合料；往所述混合浆料中加入ptfe乳液，搅拌均匀，得到浆料；所述ptfe乳液的质量为所述碳粉的质量的20％～100％(根据实际使用的需要，可以为20％，或者为30％，或者为70％，或者为100％等等)。

8、在本技术中，通过控制浆料各组分的用量比例和、混合条件和印刷厚度，使得ptfe乳液作为粘结剂可在碳纸的微孔层高温热处理后，烧结定型，维持微孔层的多孔结构；正硅酸乙酯能够在微孔层的孔隙内壁原位聚合一层二氧化硅，既不会堵塞孔道，又能均匀分布，这种表面聚合的亲水二氧化硅能够显著增强微孔层的保湿性。

9、所述树脂优选为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、短侧支链全氟磺酸、聚偏二氟乙烯、酚醛树脂、苯并噁嗪、液晶树脂、沥青、聚苯硫醚、ptfe乳液、环氧树脂或聚醚砜中的一种或至少两种的混合物；更优选为短侧支链全氟磺酸。

10、所述混合搅拌的时间优选为3h～6h(根据实际使用的需要，可以为3h，或者为4h，或者为5h，或者为6h等等)；所述球磨的时间优选为1h～3h(根据实际使用的需要，可以为1h，或者为2h，或者为3h等等)。

11、所述ptfe乳液的质量优选为所述碳粉的质量的30％～80％(根据实际使用的需要，可以为30％，或者为50％，或者为60％，或者为80％等等)。

12、所述预处理碳纸的厚度为150μm～300μm(根据实际使用的需要，可以为150μm，或者为200μm，或者为250μm，或者为300μm等等)。通过控制碳纸的厚度，能够有助于截留住膜电极内的水分，如果碳纸太薄，很难保持微孔层的定型，也很难截留住膜电极内的水分；如果碳纸太厚，容易增加电堆的体积，进而影响燃料电池的性能。

13、所述预处理碳纸通过如下方法进行预处理：于40℃～80℃(根据实际使用的需要，可以为40℃，或者为50℃，或者为70℃，或者为80℃等等)，将碳纸置于酸溶液中浸泡0.5h～4h(根据实际使用的需要，可以为0.5h，或者为1.5h，或者为2.5h，或者为4h等等)，取出，烘干(40℃～80℃烘干即可)，得到预处理碳纸。通过对碳纸进行预处理，能够有效截留住膜电极内的水分，并有效维持风冷堆内部的润湿水平。

14、所述浸泡的温度为50℃～70℃(根据实际使用的需要，可以为50℃，或者为60℃，或者为65℃，或者为70℃等等)，浸泡的时间为1h～3h(根据实际使用的需要，可以为1h，或者为1.5h，或者为2.5h，或者为3h等等)。

15、所述酸溶液为质量分数5％～20％(根据实际使用的需要，可以为5％，或者为10％，或者为15％，或者为20％等等)的硫酸溶液。

16、所述印刷厚度优选为40μm～60μm(根据实际使用的需要，可以为40μm，或者为50μm，或者为55μm，或者为60μm等等)。

17、所述印刷为丝网印刷。

18、作为优选的实施方式，步骤s02中，

19、所述热处理的温度优选为300℃～400℃(根据实际使用的需要，可以为300℃，或者为320℃，或者为350℃，或者为400℃等等)，所述热处理的时间优选为10min～40min(根据实际使用的需要，可以为10min，或者为15min，或者为25min，或者为40min等等)。

20、所述热处理优选在高温炉中进行。

21、另一方面，本发明实施例还提供由上述制备方法制备得到的风冷用气体扩散层。

22、相对于现有技术，本技术方案具有如下技术效果：本技术通过控制碳纸的厚度并对碳纸进行亲水性的预处理，能够有效截留住膜电极内的水分，并有效维持风冷堆内部的润湿水平。通过正硅酸乙酯和ptfe乳液对浆料进行保湿性改性，能够在微孔层的孔隙内壁原位聚合一层二氧化硅，既不会堵塞孔道，又能均匀分布，增强微孔层的保湿性。本技术制备得到的风冷用气体扩散层可以实现gdl的保湿性改性，能够有效提高风冷堆的性能，使得电堆能够维持高性能的输出。本技术的制备方法简单易行、操作方便、成本较低、制备时间短，易于实现大规模的工业化生产。