一种膜电极用扩散层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有高功率密度的膜电极用扩散层及其制备方法，首先采用电化学方法对扩散层基底进行表面修饰，在其表面沉积具有导电性的聚1，5‑二氨基蒽醌，然后进行高温热处理形成由单层颗粒相互连接的聚1，5‑二氨基蒽醌多孔网络结构，再在其表面涂覆一层微孔层；采用上述改性处理得到的扩散层能够大大改善燃料电池在高电流密度下的传质能力和水淹现象，有效提升燃料电池在高电流密度下的输出功率。

Diffusion layer for membrane electrode and preparation method thereof

The invention provides a diffusion layer for membrane electrode with high power density and a preparation method thereof. First, the substrate of the diffusion layer is surface modified by electrochemical method, and the conductive poly (1,5_diaminoanthraquinone) is deposited on the surface of the diffusion layer, and then the poly (1,5_di) is formed by high temperature heat treatment and the monolayer particles are interconnected. Aminoanthraquinone porous network structure, and then coated with a layer of micro-porous layer on its surface; the diffusion layer obtained by the above modification can greatly improve the mass transfer capacity and water flooding phenomenon of fuel cell at high current density, and effectively enhance the output power of fuel cell at high current density.

【技术实现步骤摘要】
一种膜电极用扩散层及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种具有高功率密度的膜电极用扩散层及其制备方法。
技术介绍
燃料电池是通过氢气(燃料)和氧气(氧化剂)之间的电化学反应将储存在氢气和氧气的化学能转化为电能的装置，是化学能转化为电能的最新兴的电化学技术之一。燃料电池具有能量密度高，启动快，零排放无污染等特点，因此成为当今各国研究的热点。膜电极用扩散层主要由导电的多孔材料构成，其作用是支撑催化层、稳定电极结构并具有传递气体、排出水分等作用，是影响电极性能的关键部件之一。理想的膜电极用扩散层应具有良好的导电性、良好的排水性和良好的透气性。然而，传统的碳纸疏水处理方法，通常将碳纸直接浸泡在憎水乳液中，进行憎水处理，这种处理方法导致碳纸的内部憎水物质不能分布均匀，增加了传质极化，给气体传输和分配带来了不利的影响，降低了燃料电池在高电流密度下的输出功率。燃料电池的成本及耐久性问题依然是阻碍其进一步应用的关键因素。提高燃料电池功率密度可以让单位面积的燃料电池输出更多功率，不仅可以大幅度提升燃料电池比功率密度，还可以减少膜电极使用量，降低成本。高功率密度意味着高输出电流密度。提高燃料电池电堆功率密度主要有两种实现方式：1)降低电堆双极板厚度、减少电池体积；2)加快电化学反应过程、提高输出电流密度。目前燃料电池电堆主要使用金属双极板，而金属双极板的板材厚度已经减至0.1mm，同时流道深度也已经降到0.3～0.4mm，这意味着进一步减少厚度的空间非常有限。因此通过加快电化学反应过程、提高输出电流密度是提高功率密度的主要发展方向。目前，以丰田为代表的国际燃料电池技术已经达到2.4～3.0A/cm2、0.5～0.6V的技术水平。而在国内，如果要实现燃料电池汽车发展路线图规划的目标(2030年达到体积比功率4.0kW/L)，电流密度必须达到3.0A/cm2左右。因此，燃料电池的输出电流密度需要从目前的1.0～1.5A/cm2，提高到2.5～3.0A/cm2，相对于目前水平提高一倍以上。因此，进一步寻找膜电极用扩散层改善燃料电池在高电流密度下的传质能力与水管理能力，提高燃料电池的输出功率，具有重要的研究和应用意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有高功率密度的膜电极用扩散层，通过对扩散层基底进行电化学表面修饰，在其表面沉积具有导电性的聚1，5二氨基蒽醌，并经高温热处理形成由单层颗粒相互连接的聚1，5-二氨基蒽醌多孔网络结构，所得膜电极用扩散层能够大大改善燃料电池在高电流密度下的气体传输和水淹现象，大幅度提升燃料电池在高电流密度下的输出功率。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种膜电极用扩散层，它包括改性扩散层基底和微孔层，其中改性扩散层基底由粒径为300-400nm的聚1，5-二氨基蒽醌颗粒均匀包覆在扩散层基底表面而成，所述聚1，5-二氨基蒽醌颗粒之间相互连接，在扩散层基底表面形成多孔网络结构。上述方案中，所述扩散层基底可选用碳纸或碳布等。上述方案中，所述聚1，5-二氨基蒽醌层通过将扩散层基底置于1，5-二氨基蒽醌电解液中进行电化学沉积，再经高温热处理而成。上述方案中，所述1，5-二氨基蒽醌电解液中包括乙腈、1，5-二氨基蒽醌、高氯酸和氯化钾，其中乙腈用作溶剂，1，5-二氨基蒽醌的浓度为0.002-0.01mol/L，高氯酸的浓度为0.1-0.8mol/L，氯化钾的浓度为0.01-0.03mol/L。上述方案中，所述电化学沉积步骤采用三电极体系，以扩散层基底作为工作电极，电压扫描范围为-1～2V，扫描速率为10～50mV/s，扫描圈数为5-35圈，反应温度为10-30℃。优选的，所述电化学沉积步骤在氮气等保护气氛下完成。优选的，电化学沉积完成后的扩散层基底先用去离子水冲洗3-5次，接着在白炽灯下进行干燥。上述方案中，所述高温热处理工艺为：在氮气等保护气氛下，以1-5℃/min的升温速率由常温升至380-600℃保温2-3h，然后自然冷却至室温。上述方案中，所述微孔层包括导电炭黑和憎水剂，所述微孔层包括导电炭黑和憎水剂，其中憎水剂所占质量百分比为10～30％；导电炭黑可选用多孔导电碳黑、乙炔黑的粉末、碳纳米管或活性炭微粉等；憎水剂为含有疏水功能的含氟聚合物。本专利技术所述高功率密度意味着高输出电流密度，目前常用的燃料电池用膜电极输出电流密度1.0～3.0A/cm2，对应的最高功率密度为1.0～1.4W/cm2，高于1.4W/cm2的功率密度为本专利技术强调的高功率密度。上述一种膜电极用扩散层的制备方法，包括如下步骤：1)扩散层基底改性处理：首先采用电化学沉积工艺在扩散基底层表面沉积聚1，5-二氨基蒽醌，然后进行高温热处理在扩散层基底的碳纤维表面得到由单层颗粒相互连接形成的具有多孔网络结构的聚1，5-二氨基蒽醌层，得改性扩散层基底；2)在改性扩散层基底表面涂覆微孔层浆体，然后进行二次热处理在改性扩散层基底形成微孔层，即得所述膜电极用扩散层。上述方案中，所述电化学沉积工艺为：采用三电极体系，将扩散层基底置于1，5-二氨基蒽醌电解液中进行电化学沉积，其中以扩散层基底作为工作电极，电压扫描范围为-1～2V，扫描速率为10～50mV/s，扫描圈数为5-35圈，反应温度为10-30℃。上述方案中，所述1，5-二氨基蒽醌电解液中包括乙腈、1，5-二氨基蒽醌、高氯酸和氯化钾，其中乙腈用作溶剂，1，5-二氨基蒽醌的浓度为0.002-0.01mol/L，高氯酸的浓度为0.1-0.8mol/L，氯化钾的浓度为0.01-0.03mol/L。上述方案中，所述高温热处理工艺为：在氮气等保护气氛下，以1-5℃/min的升温速率由常温升至380-600℃保温2-3h，然后自然冷却至室温。上述方案中，所述微孔层浆料微孔层包括导电炭黑和憎水剂,其中憎水剂所占质量百分比为10～30％；导电炭黑相对单位面积扩散层基底的质量为0.5～2.5mg/cm2。上述方案中，所述二次热处理工艺为：在氮气等保护气氛下，以1-5℃/min的升温速率由常温升至80-240℃保温30～45min，继续升温到350～380℃保温30～60min，然后自然冷却至室温。上述方案中，所述涂敷工艺采用涂膏、浇铸、滚压、喷涂、印刷或涂布等方法，涂覆温度为10～30℃。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为:1)本专利技术采用具有电化学沉积方法利用具有良好导电性的聚1，5二氨基蒽醌对扩散层基底进行表面改性，然后进行高温热处理，在扩散层基底表面形成由粒径为300～400nm的单层聚1，5-二氨基蒽醌颗粒相互连接的多孔网络结构，这种多孔网状结构可有效改善扩散层的气体和水传输能力。2)本专利技术所得扩散层可显著提升单电池在高电流密度下的输出功率；采用本专利技术制备的扩散层组装形成的燃料电池最高电流密度可以达到3800mA/cm2，电压为0.427V，单电池的功率密度可达1.62W/cm2，而使用普通商业扩散层组装的燃料电池最高电流密度的电压只能达到3200mA/cm2，电压仅为0.343V，单电池功率密度仅为1.09W/cm2。3)本专利技术所得扩散层可显著提高单电池在高电流密度下的传质能力和水管理能力，能够大大改善燃料电池在高电流密度下的气体传输和水淹现象，大幅度提升燃料电池在高电流密度下的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种膜电极用扩散层，它包括改性扩散层基底和微孔层，其中改性扩散层基底由粒径为300‑400nm的聚1，5‑二氨基蒽醌颗粒均匀包覆在扩散层基底表面而成，所述聚1，5‑二氨基蒽醌颗粒之间相互连接，在扩散层基底表面形成多孔网络结构。

【技术特征摘要】
1.一种膜电极用扩散层，它包括改性扩散层基底和微孔层，其中改性扩散层基底由粒径为300-400nm的聚1，5-二氨基蒽醌颗粒均匀包覆在扩散层基底表面而成，所述聚1，5-二氨基蒽醌颗粒之间相互连接，在扩散层基底表面形成多孔网络结构。2.根据权利要求1所述的膜电极用扩散层，其特征在于，所述扩散层基底为碳纸或碳布。3.根据权利要求1所述的膜电极用扩散层，其特征在于，所述聚1，5-二氨基蒽醌层通过将扩散层基底置于1，5-二氨基蒽醌电解液中进行电化学沉积，再经高温热处理而成。4.根据权利要求1所述的膜电极用扩散层，其特征在于，所述微孔层包括导电炭黑和憎水剂，其中憎水剂所占质量百分比为10～30％。5.权利要求1～4任一项所述膜电极用扩散层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)扩散层基底改性处理：首先采用电化学沉积工艺在扩散基底层表面沉积聚1，5-二氨基蒽醌，然后进行高温热处理在扩散层基底的碳纤维表面得到由单层颗粒相互连接形成的具有多孔网络结构的聚1，5-二氨基蒽醌层，得改性扩散层基底；2)在改性扩散层基底表面涂覆微孔层浆体，然后进行二次热处理在改性扩散层基底形成微孔层，即得所述膜电极用扩散层。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电化学沉积工艺为：采用三...

【专利技术属性】
技术研发人员：李赏，朱从懿，邢以晶，潘牧，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42