一种气体扩散层、及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种气体扩散层、及其制备方法和用途。所述气体扩散层包括支撑层和依次设置于所述支撑层表面的复合碳材料扩散层和微孔层；所述支撑层为多孔材料，所述复合碳材料扩散层包括碳纳米管和碳纤维。本发明专利技术所述支撑层具有较高的机械强度，其既可作为集流又可作为扩散层框架基底；碳纳米管和碳纤维两种材料混合，以碳纤维作为基底框架，碳纳米管作为框架的填充物，满足了气体扩散层高透气性的要求，并且拥有较高的机械强度；微孔层可以使扩散层大小不一的孔隙填补，还可以减缓扩散层的不平整现象，进而实现水和反应气体在流场和催化层的再分配，并且增加了电导率，提高了电池寿命。提高了电池寿命。提高了电池寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种气体扩散层、及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种气体扩散层、及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]燃料电池就是清洁产能装置之一，它的能量转化率高，产物为水，因此可以作为一种清洁能源使用。燃料电池广泛的应用于航空航天，汽车领域，电子工业中。燃料电池可分为：质子交换膜燃料电池(聚合物电解质膜燃料电池)、甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、碱燃料电池等。除了燃料和电解质外，大多数燃料电池的总体结构设计类似。
[0003]燃料电池是氢与氧反应产生水而转化为电能，因此反应过程中会产生大量的水对电池造成较大的复合，使催化层被水淹，堵塞整个电池通道，使气体无法传输。因此有一个良好的通道，能够传送气体，管理反应所产生的水就很重要。
[0004]气体扩散层(Gas Duffusion Layer简称GDL)，在燃料电池中有极为重要的作用，气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。扩散层的厚度对整个燃料电池有着重要的影响，扩散层太厚，整个电池的传质和气体传输会受到较大的影响；扩散层太薄，对催化层的承载能力减弱，并且收集电流的能力会减弱，对电池的放电会造成影响。一个好的扩散层应具有良好的传质能力、良好的导电性、良好的催化剂承载能力。
[0005]同时，良好的传质能力就要求整个扩散层需要较高的孔隙度，厚度也不能过厚，碳纸、碳布等以碳纤维毡布作为基底层的气体扩散层拥有较高的透气性、导电性但是机械强度却有很大的局限性。r/>[0006]CN102856567A公开了一种一体式可再生燃料电池扩散层及其制备方法，采用不导电的有机合成纤维布作为扩散层的支撑体，通过在其上构造导电的耐腐蚀金属/金属氧化物网络，填充到有机纤维的孔隙中，结合一定的疏水剂、粘结剂，使扩散层达到适宜的亲疏水性能以及构造合适的孔结构，以保证URFC在不同工作模式下的传质平衡。所述燃料电池扩散层解决了现有技术中URFC支撑体的腐蚀问题，但是其传质能力较差。
[0007]CN107012739B公开了一种导电高分子薄膜改性的超薄炭纤维纸及其制备方法，采用电化学沉积的方法在高通量无改性超薄炭纤维纸内部沉积导电高分子薄膜，制得导电高分子薄膜改性超薄炭纤维纸。在所制的导电高分子薄膜改性超薄炭纤维纸中，导电高分子薄膜包覆在炭纤维、基体炭-炭纤维节点上，在炭纸内部形成厚度均匀的薄膜网络。所述超薄炭纤维纸的传质能力和气透率较差。
[0008]因此，本领域亟需一种新型燃料电池用气体扩散层，所述气体扩散层具有良好的传质能力、良好的透气性、良好的导电性和良好的机械强度、以及良好的催化剂承载能力，并且制备过程简单，可工业化生产。

技术实现思路

[0009]鉴于目前商业化的碳纸厚度较厚，气体传递路径长，增加了传质阻力，并且传统碳纸加入胶黏剂如PTFE、酚醛树脂等经过高温石墨化后扩散层结构会变得很脆，机械强度较低，在使用的过程中容易发生断裂的现象，影响电池放电性能。鉴于以上的局限性，本专利技术突破传统的碳纸制备方法不经过石墨化处理手段，使扩散层变得柔软且具有高导电性。
[0010]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种气体扩散层、及其制备方法和用途。所述气体扩散层具有良好的传质能力、良好的透气性、良好的导电性和良好的机械强度、以及良好的催化剂承载能力，并且制备过程简单，可工业化生产。
[0011]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0012]本专利技术的目的之一在于提供一种气体扩散层，所述气体扩散层包括支撑层和依次设置于所述支撑层表面的复合碳材料扩散层和微孔层；
[0013]所述支撑层为多孔材料，所述复合碳材料扩散层包括碳纳米管和碳纤维。
[0014]本专利技术所述支撑层具有较高的机械强度，其既可集流又可作为扩散层框架基底；本专利技术将碳纳米管和碳纤维两种材料混合，以碳纤维作为基底框架，碳纳米管作为框架的填充物，满足了气体扩散层高透气性的要求，并且拥有较高的机械强度。
[0015]在负载复合碳材料扩散层时，它的表面也会像传统碳纸那样有大小不一的孔隙并且表面可能存在凹凸不平的现象，所以微孔层就成了一个重要的部分，它可以使扩散层大小不一的孔隙填补，还可以减缓扩散层的不平整现象，进而实现水和反应气体在流场和催化层的再分配，并且增加了电导率，提高了电池寿命。
[0016]本发所述支撑层、复合碳材料扩散层和微孔层共同作用，可以得到具有良好的传质能力、良好的透气性、良好的导电性和良好的机械强度、以及良好的催化剂承载能力的气体扩散层。
[0017]优选地，所述支撑层为柔性碳膜，优选为碳纳米管膜、石墨烯膜或碳纤维毡中的任意一种。
[0018]优选地，所述支撑层的厚度<50μm，例如10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm或45μm等。
[0019]优选地，所述支撑层的孔隙率为50％～90％，优选为70～85％，例如52％、55％、58％、60％、65％、70％、72％、75％、78％、80％、82％、85％或88％等。
[0020]优选地，所述支撑层的孔径>5μm，优选为15～22μm，例如6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm、20μm、21μm、22μm、23μm、24μm、25μm、26μm、27μm、28μm、30μm、32μm、33μm、35μm、36μm、38μm或40μm等。
[0021]优选地，所述支撑层中的孔为贯穿性的孔。
[0022]优选地，所述支撑层中的孔包括圆孔、矩形孔和菱形孔中的任意一种或至少两种的组合。
[0023]优选地，所述孔的形貌为等规则的孔。
[0024]优选地，所述支撑层中孔的形貌还包括第一孔与分布于所述第一孔内的n个第二孔。
[0025]优选地，所述第一孔为非贯穿性的孔。
[0026]优选地，所述第二孔为贯穿性的孔。
[0027]优选地，所述n≥1，例如2、3、4、5、6、7或8等。
[0028]优选地，所述复合碳材料扩散层的厚度为10～60μm，例如12μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm或58μm等。
[0029]优选地，所述复合碳材料扩散层中，碳纳米管和碳纤维质量比为3～10:1～5，例如3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1、3:2、4:2、5:2、7:2、9:2、3:3、4:3、5:3、7:3、8:3、10:3、3:4、5:4、7:4、9:4、3:5、4:5、6:5、7:5、8:5或9:5等。
[0030]本专利技术所述碳纳米管和碳纤维质量比为3～10:1～5，碳纳米管含量过少，则孔隙度过大；碳纤维含量过少，则扩散层太过致密。
[0031]优选地，所述碳纳米管包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层包括支撑层和依次设置于所述支撑层表面的复合碳材料扩散层和微孔层；所述支撑层为多孔材料，所述复合碳材料扩散层包括碳纳米管和碳纤维。2.如权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述支撑层为柔性碳膜，优选为碳纳米管膜、石墨烯膜或碳纤维毡中的任意一种；优选地，所述支撑层的厚度<50μm；优选地，所述支撑层的孔隙率为50％～90％，优选为70～85％；优选地，所述支撑层的孔径>5μm，优选为15～22μm；优选地，所述支撑层中的孔为贯穿性的孔；优选地，所述支撑层中孔的形貌包括圆孔、矩形孔和菱形孔中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述孔的形貌为等规则的孔；优选地，所述支撑层中孔的形貌还包括第一孔与分布于所述第一孔内的n个第二孔；优选地，所述第一孔为非贯穿性的孔；优选地，所述第二孔为贯穿性的孔；优选地，所述n≥1。3.如权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，所述复合碳材料扩散层的厚度为10～60μm；优选地，所述复合碳材料扩散层中，碳纳米管和碳纤维质量比为10～3:1～5；优选地，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨化碳纳米管和羧基化碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述碳纤维包括PP碳纤维、PE短纤维、PVA短纤维、LM聚酯短纤维、纤维素短纤维和沥青基碳纤维中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述复合碳材料扩散层的孔隙率为60％～90％；优选地，所述微孔层的孔隙率为50％～80％；优选地，所述微孔层包括碳粉；优选地，所述微孔层中碳粉的担载量为0.2mg/cm2～0.8mg/cm2；优选地，所述碳粉包括乙炔黑、活性炭和石墨粉中的任意一种或至少两种的组合。4.一种如权利要求1-3之一所述气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：在支撑层上涂覆复合碳材料浆料，得到复合碳材料扩散层，然后再涂覆疏水浆料，得到微孔层，煅烧得到气体扩散层。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述支撑层的制备过程包括：将柔性碳膜造孔，然后除去柔性碳膜中的阳离子；优选地，所述柔性碳膜造孔的方式包括激光打孔、化学造孔和硅板压孔中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述柔性碳膜为碳纳米管膜、石墨烯膜或碳纤维毡中的任意一种；优选地，所述柔性碳膜中阳离子的除去方式为酸洗；优选地，所述酸洗为采用硫酸浸泡；
优选地，所述硫酸的浓度为1～5mol/L；优选地，所述酸洗的温度为50～100℃；优选地，所述酸洗的时间为10～100min。6.如权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述复合碳材料浆料的制备过程包括：将碳纤维分散液、碳纳米管分散液、粘结剂和疏水剂混合，得到复合碳材料浆料；优选地，所述复合碳材料浆料中，碳纳米管的含量为0～100wt％，且不含0wt％和100wt％，优选为20wt％～40wt％；优选地，所述复合碳材料浆料中，碳纤维的含量为0～100wt％，且不含0wt％和100wt％，优选为15wt％～25wt％；优选地，所述粘结剂的含量为0～50wt％，且不含0wt％，优选为20wt％～30wt％；优选地，所述疏水剂的含量为0～50wt％，且不含0wt％，优选为20wt％～30wt％；优选地，所述混合的方式为超声；优选地，所述粘结剂包括聚四氟乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇和酚醛树脂中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述疏水剂包括含氟聚物，优选为聚四氟乙烯；优选地，所述复合碳材料浆料的涂覆方式包括抽滤、刮涂和丝网印刷中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述复合碳材料浆料涂覆之后还包括加压、烘干和清洗的过程；优选地，所述加压的压力为20～60kg/cm2；优选地，所述加压的时间为1～5min；优选地，所述加压的过程在热压机...

【专利技术属性】
技术研发人员：周小春，卫俊，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：