一种气体扩散层及其制备方法与流程

本发明属于电池，尤其涉及一种气体扩散层及其制备方法。

背景技术：

1、与内燃机等传统能源转换技术相比，燃料电池是一种高效能源转换装置，它能将燃料中的化学能(如氢、甲醇、乙醇、天然气)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，广泛应用于汽车以及便携式电力装置中。

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、操作温度低和启动迅速等特点，被认为是最具潜力的能源转换装置。气体扩散层(gas diffusion layer，gdl)是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，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。因此，如何对气体扩散层进行保湿性处理来维持电堆的高性能输出十分关键。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种气体扩散层及其制备方法，旨在解决现有风冷堆在阴极侧依赖高流速的空气传质和散热、导致膜电极的湿度会因为高流速的空气吹扫而下降而影响电堆的性能输出等问题。

2、为实现上述目的，一方面，本发明实施例提供一种气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：

3、s01、将浆料印刷至预处理裸碳纸上，印刷厚度为10μm～80μm，得到印刷碳纸；

4、s02、将喷涂浆料喷涂于步骤s01中的印刷碳纸的浆料层上，得到喷涂碳纸，所述喷涂的时间为10min～90min，所述喷涂的厚度为5μm～50μm；

5、s03、于200℃～500℃，将步骤s02中的喷涂碳纸进行热处理5min～60min，得到气体扩散层。

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：将第一碳粉、第一去离子水和第一分散剂按质量比1:20:(0.1～1)搅拌均匀，然后球磨1h～4h，得到浆料混合物；往所述浆料混合物中加入第一ptfe乳液，混合均匀，得到浆料；所述第一ptfe乳液的质量为所述第一碳粉的质量的20％～100％(优选为30％～80％)。

8、所述第一碳粉优选为粒径为10nm～100nm的球形碳粉。

9、所述第一分散剂优选为六偏磷酸钠、焦磷酸钠、曲拉通、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酸钠盐，聚乙烯醇、聚乙二醇和石蜡中的一种或至少两种的混合物。

10、所述搅拌的时间为2h～8h。

11、所述印刷通过丝网印刷平台实现，所述丝网印刷平台的网板为50目～200目的网板。

12、所述预处理裸碳纸的厚度优选为150μm～300μm。

13、所述预处理裸碳纸通过如下方法进行预处理(即亲水处理)：将裸碳纸置于酸溶液中浸泡0.5h～4h，烘干，得到预处理裸碳纸。

14、所述酸溶液为质量分数为5％～20％的硫酸溶液。

15、所述浸泡的温度为40℃～80℃，优选为50℃～70℃。

16、所述浸泡的时间优选为1h～3h。

17、所述印刷厚度优选为20μm～60μm。

18、作为优选的实施方式，步骤s02中，

19、所述喷涂浆料通过如下方法进行制备：将第二碳粉、第二去离子水、第二分散剂、第二ptfe乳液和纳米二氧化硅按质量比5:20:0.1:(10～50)：(0.5～25)破碎1min～60min，然后搅拌1h～8h，得到喷涂浆料。

20、所述第二碳粉优选为粒径为10nm～50nm的球形碳粉。

21、所述第二分散剂优选为六偏磷酸钠、焦磷酸钠、曲拉通、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酸钠盐，聚乙烯醇、聚乙二醇和石蜡中的一种或至少两种的混合物。

22、所述纳米二氧化硅优选为粒径为2nm～50nm的亲水二氧化硅。

23、所述破碎为细胞壁破壁器破碎，所述破碎的时间优选为2min～40min。

24、所述搅拌的时间优选为2h～6h。

25、所述喷涂通过超声喷涂机平台实现。

26、所述喷涂的时间优选为2min～40min，所述喷涂的厚度优选为8μm～40μm。

27、作为优选的实施方式，步骤s03中，

28、所述热处理的温度优选为300℃～400℃；所述热处理的时间优选为10min～40min。

29、所述气体扩散层为风冷用气体扩散层。

30、另一方面，本发明实施例还提供一种气体扩散层，所述气体扩散层由所述制备方法制备得到。

31、作为优选的实施方式，所述气体扩散层包括碳纸、设置于所述碳纸上的印刷浆料层和设置于所述印刷浆料层上的喷涂浆料层，所述印刷浆料层设置于所述碳纸与所述喷涂浆料层之间；自所述碳纸至所述喷涂浆料层的方向，孔隙由大至小呈阶梯分布。

32、在本申请中，采用梯度孔隙策略结合不同的微孔层制备工艺，控制气体扩散层内的孔隙呈现阶梯分布，使得制备得到的气体扩散层具有高保湿性，解决了低湿环境下膜电极因缺水导致的性能快速衰减的问题。

技术特征：

1.一种气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述浆料通过如下方法制备得到：将第一碳粉、第一去离子水和第一分散剂按质量比1:20:(0.1～1)搅拌均匀，然后球磨1h～4h，得到浆料混合物；往所述浆料混合物中加入第一ptfe乳液，混合均匀，得到浆料；所述第一ptfe乳液的质量为所述第一碳粉的质量的20％～100％。

3.根据权利要求2所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述第一碳粉为粒径为10nm～100nm的球形碳粉；

4.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述印刷通过丝网印刷平台实现，所述丝网印刷平台的网板为50目～200目的网板；

5.根据权利要求4所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述预处理裸碳纸通过如下方法进行预处理：将裸碳纸置于酸溶液中浸泡0.5h～4h，烘干，得到预处理裸碳纸；

6.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤s02中，所述喷涂浆料通过如下方法进行制备：将第二碳粉、第二去离子水、第二分散剂、第二ptfe乳液和纳米二氧化硅按质量比5:20:0.1:(10～50)：(0.5～25)破碎1min～60min，然后搅拌1h～8h，得到喷涂浆料。

7.根据权利要求6所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述第二碳粉为粒径为10nm～50nm的球形碳粉；

8.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤s03中，所述热处理的温度为300℃～400℃；所述热处理的时间为10min～40min；

9.一种气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层由权利要求1至8任一项所述的制备方法制备得到。

10.根据权利要求9所述的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层包括碳纸、设置于所述碳纸上的印刷浆料层和设置于所述印刷浆料层上的喷涂浆料层，所述印刷浆料层设置于所述碳纸与所述喷涂浆料层之间；自所述碳纸至所述喷涂浆料层的方向，孔隙由大至小呈阶梯分布。

技术总结
本申请提供一种气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：S01、将浆料印刷至预处理裸碳纸上，印刷厚度为10μm～80μm，得到印刷碳纸；S02、将喷涂浆料喷涂于步骤S01中的印刷碳纸的浆料层上，得到喷涂碳纸，所述喷涂的时间为10min～90min，所述喷涂的厚度为5μm～50μm；S03、于200℃～500℃，将步骤S02中的喷涂碳纸进行热处理5min～60min，得到气体扩散层。本申请还提供由上述制备方法得到的气体扩散层。本申请采用梯度孔隙策略结合不同的微孔层制备工艺，控制气体扩散层内的孔隙呈现阶梯分布，使得制备得到的气体扩散层具有高保湿性，解决了低湿环境下膜电极因缺水导致的性能快速衰减的问题。

技术研发人员：李金阳,董书达
受保护的技术使用者：深圳市氢瑞燃料电池科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29