一种疏水性梯度变化的扩散层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种疏水性梯度变化的扩散层及其制备方法与应用，所述疏水性梯度变化的扩散层包括多孔基材和微孔层，所述多孔基材上带有垂直疏水层，所述微孔层的微孔上带有疏水性呈梯度变化的平行疏水层。该疏水性梯度变化的扩散层的制备方法包括以下步骤：多孔基材预处理、多孔基材的疏水性处理、浆液的配制、微孔层的制备。将所述疏水性梯度变化的扩散层和担载了催化剂的质子交换膜一起组成膜电极组件，用于燃料电池。与现有技术相比，本发明专利技术产品具有排水效果好，防止电池被水淹，提升燃料电池性能等优点；本发明专利技术制备方法操作具有简单易于工业化，设计合理等优点。

A diffusion layer with a change of hydrophobic gradient and its preparation and Application

The invention discloses a hydrophobic gradient diffusion layer and preparation method and application thereof, wherein the hydrophobic gradient diffusion layer comprises a porous substrate and the microporous layer with vertical hydrophobic layer of the porous substrate and the microporous microporous layer with a hydrophobic gradient parallel hydrophobic layer. The preparation method of the diffusion layer with hydrophobicity gradient includes the following steps: pretreatment of porous substrate, hydrophobic treatment of porous substrate, preparation of slurry and preparation of microporous layer. The membrane electrode assembly is composed of the diffusion layer which is changed by the hydrophobic gradient and the proton exchange membrane carrying the catalyst, which is used in the fuel cell. Compared with the existing technology, the product has the advantages of good drainage effect, preventing the battery from being flooded, and improving the performance of the fuel cell, etc. the preparation method has the advantages of simple operation, easy industrialization and reasonable design.

【技术实现步骤摘要】
一种疏水性梯度变化的扩散层及其制备方法与应用
本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种疏水性梯度变化的扩散层及其制备方法与应用。
技术介绍
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembranefuelcell，PEMFC)是由导流极板、膜电极(在质子交换膜两侧涂布有阳阴极催化剂层的组件)以及扩散层组成。反应气体(阳极常为氢气、阴极为空气或氧气)经导流极板导流，再经气体扩散层扩散至催化剂表面发生反应，反应产物水从膜电极表面从扩散层穿出汇入气流排出。在燃料电池的反应过程，水管理是个重要的过程，既要保证质子交换膜含有足够的水，以达到最佳电导率，又要求能充分排出反应生成的水，以防止膜电极表面水淹现象，反应无法进行，所以需要通过对扩散层进行一定的疏水化处理，避免水的沉积。气体扩散层包括多孔基材(如碳纤维纸、碳布等)和微孔层，通常通过引入疏水剂(如聚四氟乙烯，Polytetrafluoroethylene，PTFE)来提高疏水性。传统的扩散层制备是对扩散层多孔基材整体进行均一化的疏水处理，这种扩散层使得疏水剂大多堆积在扩散层表面，无法渗透到扩散层内部，疏水效果不佳，同时，由于疏水剂大量集聚在扩散层表面，影响了扩散层的导电性和透气性。尽管专利文件“CN1367941A垂直于聚合物电解质燃料电池膜的气体扩散结构”描述了一种在垂直于膜方向上具有气体渗透梯度的气体扩散结构，即靠近集电板部分结构的气体渗透率低于更靠近膜的部分。专利文件CN1926712A通过多个不同疏水性的单层的覆盖来实现良好的梯度。专利文件CN101399347A记载了一种在Z方向(垂直于扩散层的方向)上呈梯度分布具有梯度憎水化的气体扩散层结构。这些专利都通过一定的方式使得垂直于催化层(或扩散层)方向上具有一定的疏水性梯度，有利于把反应生成的水从电极表面排出到导流通道中，防止电极表面水淹而阻碍反应的进行，但是以上专利未对在平行扩散层方向的水管理做良好的控制。而随着水被排出到导流槽中，在气体从进口到出口沿着PEMFC的双极板气体流动方向随着反应的进行会出现水的累积，而以上专利未在平行于扩散层方向做出良好的应对措施防止水在平行扩散层方向上的积累而造成的影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种在平行于扩散层方向上具有疏水性梯度变化的扩散层及其制备方法与应用。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种疏水性梯度变化的扩散层，包括具有疏水性梯度变化的多孔基材和疏水性梯度变化的微孔层，所述多孔基材的疏水性沿平行于扩散层方向的呈梯度变化；所述微孔层的疏水性沿垂直于扩散层方向呈梯度变化。本专利技术的有益效果在于：本专利技术的疏水性梯度变化的扩散层结构，不仅具有垂直于扩散层方向疏水性梯度变化的微孔层，还具有平行于扩散层方向上的疏水性梯度变化的多孔基材，能够改善反应生成的水在气体流动方向上逐步的累积，防止电极水淹现象，提升燃料电池性能。本专利技术还包括上述疏水性梯度变化的扩散层的制备方法，包括以下步骤：S10、多孔基材的预处理：将多孔基材用有机溶剂浸泡30～240min，然后进行真空干燥；S20、多孔基材的疏水性处理：用疏水剂溶液浸渍或喷涂所述步骤S10处理好的多孔基材5～60s，将浸渍或喷涂处理后的多孔基材垂直取出，然后将多孔基材垂直放置5～60s后在300～500℃烘烤5～30min，制得具有疏水性梯度变化的多孔基材，所述多孔基材的疏水性沿平行于扩散层方向的呈梯度变化；S30、浆液的配制：将导电颗粒与质量百分比浓度为0.5-60％的疏水剂溶液配制成不同浓度梯度的浆液；S40、微孔层的制备：在具有疏水性梯度变化的多孔基材表面按浓度从低到高或从高到低涂覆步骤S30制备的不同疏水剂浓度导电颗粒浆液，制备具有疏水性梯度变化的微孔层结构；所述微孔层的疏水性沿垂直于扩散层方向呈梯度变化，将上述步骤处理后的产品在300～500℃下烘烤30～240min，得到具有疏水性梯度变化的扩散层。本专利技术的有益效果在于：操作简单，易于工业化。本专利技术制备方法无过复杂操作，操作简便易于工业化；设计合理，将经疏水剂溶液浸渍或喷涂后的多孔基材垂直放置，在重力作用下在多孔基材表面形成浓度差，使得多孔基材表面上具有疏水性梯度变化的平行疏水层；再通过在多孔基材的表面上依次涂覆不同浓度的疏水剂配置的浆液，使得每层的疏水剂含量不同，制备疏水性沿垂直于扩散层方向呈梯度变化的微孔层；微孔层上具有梯度变化的垂直疏水层与平行疏水层配合使得反应生成的水更加容易排出；采用导电颗粒与疏水剂溶液混合制成浆液，涂覆在基材表面上形成疏水性不同的多层结构，极大了提升了扩散层的排水能力。本专利技术还包括上述疏水性梯度变化的扩散层的应用，将所述疏水性梯度变化的扩散层和担载了催化剂的质子交换膜一起组成膜电极组件，用于燃料电池。本专利技术的有益效果在于：将具有疏水性梯度变化的扩散层应用于燃料电池，更有利于反应气的扩散和电池生成水的排出，防止电极水淹现象，提升燃料电池性能。附图说明图1所示为本专利技术实施例1～5的疏水性梯度变化的扩散层的立体结构示意图；图2所示为本专利技术实施例1～5的疏水性梯度变化的扩散层的多孔基材的疏水性梯度变化示意图；图3所示为本专利技术实施例1～2的具有疏水性梯度变化的扩散层组成膜电极组件的结构示意图；图4所示为本专利技术实施例1的燃料电池单体的结构示意图；图5所示为本专利技术实施例1的燃料电池单体的立体结构示意图；图6所示为本专利技术实施例2的燃料电池电堆的结构示意图。标号说明：11、多孔基材；12、微孔层；13、第一疏水性梯度变化的扩散层；14、第二疏水性梯度变化的扩散层；21、阳极催化层；22、阴极催化层；3、质子交换膜；4、第一导流板；5、膜电极组件；6、端板；7、进气端板；8、紧固件；9、密封圈；10、膜电极；41、第二导流板。具体实施方式为详细说明本专利技术的
技术实现思路
、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。本专利技术最关键的构思在于：将组成扩散层的多孔基材和微孔层都制备成具有疏水性梯度变化的结构，首先多孔基材的疏水性梯度处理方式采取浸渍或者喷涂等方法使得疏水剂在多孔基材中的含量呈梯度分布。在多孔基材上涂覆微孔层时采取涂布不同疏水剂含量的导电颗粒，以制备整个扩散层结构具有疏水性梯度变化的结构。一种疏水性梯度变化的扩散层，包括具有疏水性梯度变化的多孔基材和疏水性梯度变化的微孔层，所述多孔基材的疏水性沿平行于扩散层方向的呈梯度变化；所述微孔层的疏水性沿垂直于扩散层方向呈梯度变化。从上述描述可知，本专利技术的有益效果在于：本专利技术的疏水性梯度变化的扩散层结构，不仅具有垂直于扩散层方向疏水性梯度变化的微孔层，还具有平行于扩散层方向上的疏水性梯度变化的多孔基材，能够改善反应生成的水在气体流动方向上逐步的累积，防止电极水淹现象，提升燃料电池性能。进一步地，以疏水性梯度变化扩散层的上表面为xy轴所在平面建立空间坐标系，所述垂直于扩散层方向为z轴方向，所述平行于扩散层方向为x轴方向。进一步地，所述微孔层的厚度为10～500μm。优选地，所述微孔层的厚度为80～120μm。从上述描述可知，本专利技术的有益效果于：将所述微孔层的厚度控制在80～120μm，避免微孔层太本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种疏水性梯度变化的扩散层，其特征在于：包括具有疏水性梯度变化的多孔基材和疏水性梯度变化的微孔层，所述多孔基材的疏水性沿平行于扩散层方向的呈梯度变化；所述微孔层的疏水性沿垂直于扩散层方向呈梯度变化。

【技术特征摘要】
1.一种疏水性梯度变化的扩散层，其特征在于：包括具有疏水性梯度变化的多孔基材和疏水性梯度变化的微孔层，所述多孔基材的疏水性沿平行于扩散层方向的呈梯度变化；所述微孔层的疏水性沿垂直于扩散层方向呈梯度变化。2.根据权利要求1所述的疏水性梯度变化的扩散层，其特征在于：所述微孔层的厚度为10～500μm。3.根据权利要求1～2任一项所述的疏水性梯度变化的扩散层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S10、多孔基材的预处理：将多孔基材用有机溶剂浸泡30～240min，然后进行真空干燥；S20、多孔基材的疏水性处理：用疏水剂溶液浸渍或喷涂所述步骤S10处理好的多孔基材5～60s，将浸渍或喷涂处理后的多孔基材垂直取出，然后将多孔基材垂直放置5～60s后在300～500℃烘烤5～30min，制得具有疏水性梯度变化的多孔基材，所述多孔基材的疏水性沿平行于扩散层方向的呈梯度变化；S30、浆液的配制：将导电颗粒与质量百分比浓度为0.5-60％的疏水剂溶液配制成不同浓度梯度的浆液；S40、微孔层的制备：在具有疏水性梯度变化的多孔基材表面按浓度从低到高或从高到低涂覆步骤S30制备的不同疏水剂浓度导电颗粒浆液，制备具有疏水性梯度变化的微孔层结构；所述微孔层的疏水性沿垂直于扩散层方向呈梯度变化，将上述步骤处理后的产品在300～500℃下烘烤30～240min，得到具有疏水性梯度变化的扩散层。4.根据权利要求3所述的疏水性梯度变化的扩散层的制备方法，其特征在于：所述疏水剂溶液的质量百分比浓度为0.5-60％。5.根据权利要求3所述的疏水性梯度变化的扩散层的制备方法，其特征在于：所述步骤S3...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢义淳，郑丽萍，林玉祥，卢友文，
申请(专利权)人：福建亚南电机有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35