一种燃料电池气体扩散层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层包括基体层和位于基体层表面的微孔层；所述微孔层的原料包括有机硅氧烷和石墨烯。本发明专利技术中所述微孔层用于气体扩散层可以提高气体扩散层的粗糙度和接触角，从而提高气体扩散层的疏水性能，且将所述气体扩散层用于质子交换膜燃料电池还能够提高燃料电池的电化学性能。化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池气体扩散层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，尤其涉及一种燃料电池气体扩散层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种采用质子交换膜作为电解质，以Pt/C为催化剂，以氢气为燃料，以空气或纯氧为氧化剂的低温燃料电池。考虑现在环境污染和能源问题严重，PEMFC具有较高的功率密度、环境友好的优势使它有希望替代化石燃料作为应用于自动、固定和便携式设备的能量资源。膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池系统至关重要的部分，它包括质子交换膜、催化层和气体扩散层(GDL)。
[0003]CN108878922A公开了一种燃料电池薄层化石墨烯气体扩散层及制备方法。在乙烯单体形成的超高分子量聚乙烯的过程中将石墨烯分散其中，能够较佳的使石墨烯分散于超高分子量聚乙烯。得到的基材强度高，可以实现超薄化进而降低了气体扩散层基材厚度。确保了薄层化后基材的良好强度和耐久性。
[0004]CN112724724A公开了一种燃料电池膜电极气体扩散层及其微孔层制备方法和应用。采用活性单体作为固化剂，在光引发剂作用下活性单体形成有机聚合物，将有机硅氧烷、碳材料均匀固化在支撑层外表面上，采用紫外光固化的过程，整个反应过程复杂，引发反应对环境的要求高，工艺成本高。
[0005]CN113113617A公开了一种膜电极、燃料电池气体扩散层及其制备方法，通过在微扎层聚料涂覆前对疏水碳纸进行真空预渗微孔层浆料处理，利用真空吸附力使微孔层浆料克服毛细压力渗入到疏水碳纸层中，进而部分碳粉填充在疏水碳纸表面的大孔中，由预渗处理带来的改变均有利于后续涂覆微孔层浆料与碳纸层形成良好的接触界面，增加两者的接触面积。接触面积的增加也可以使微孔层与疏水碳纸层之间的贴合更加牢固，有利于提高微孔层的抗水汽冲刷性能，也有利于提高气体扩散层的耐久性。但是并不能提高燃料电池气体扩散层的疏水性。
[0006]如何低成本大规模制备一种疏水性燃料电池气体扩散层是燃料电池的重要研究方向。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种燃料电池气体扩散层及其制备方法和应用，通过所述制备方法可以提高气体扩散层的疏水性能，且将所述气体扩散层用于质子交换膜燃料电池能够提高燃料电池的电化学性能。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]本专利技术的目的之一在于提供一种燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层包括基体层和位于基体层表面的微孔层。
[0010]所述微孔层的原料包括有机硅氧烷和石墨烯。
[0011]本专利技术中的有机硅氧烷在热处理条件下分解为分子量较小的物质，从而降低微孔层的表面张力，并与石墨烯形成微纳结构，且该微纳结构具有层状结构，其用于气体扩散层中能够提高气体扩散层的粗糙度和接触角，从而提高气体扩散层的疏水性能；气体扩散层用于质子交换膜燃料电池能够提高燃料电池的电化学性能，使其能够作用于燃料电池汽车中。
[0012]作为本专利技术优选的技术方案，所述基体层为碳纸层。
[0013]优选地，所述有机硅氧烷包括聚甲基硅氧烷。
[0014]优选地，所述微孔层的原料还包括有机溶剂。
[0015]优选地，所述有机溶剂包括四氢呋喃。
[0016]作为本专利技术优选的技术方案，按照质量分数计所述微孔层的原料为：3～10％有机硅氧烷、3～15％石墨烯、75～94％有机溶剂。
[0017]其中，所述有机硅氧烷的质量分数可以是3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％等，所述石墨烯的质量分数可以是3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％等，所述有机溶剂的质量分数可以是75％、76％、77％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％或94％等，但不仅限于所列举的数值，上述各数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0018]优选地，按照质量分数计所述微孔层的原料为：5～8％有机硅氧烷、5～13％石墨烯、79～90％有机溶剂。
[0019]本专利技术的目的之二在于提供一种如目的之一所述的气体扩散层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0020](1)将有机硅氧烷、石墨烯以及有机溶剂混合，得到所述微孔层的前驱体；
[0021](2)将所述微孔层的前驱体涂覆在基体层的一侧，通过固化得到所述气体扩散层。
[0022]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述混合的方式为超声混合。
[0023]优选地，所述超声混合的频率为80～120kHz，其中所述频率可以是80kHz、85kHz、90kHz、95kHz、100kHz、105kHz、110kHz、115kHz或120kHz等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为90～110kHz。
[0024]优选地，所述超声混合的功率密度为1.5
‑
3.5W/cm2，其中所述功率密度可以是1.5W/cm2、2W/cm2、2.5W/cm2、3W/cm2或3.5W/cm2等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为2～3W/cm2；
[0025]优选地，所述超声混合的时间为20～75min，其中所述时间可以是20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min、65min、70min或75min等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为40～60min。
[0026]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(2)所述涂覆的方式为刮涂和/或喷涂。
[0027]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(2)所述固化的温度为130～220℃，其中所述温度可以是130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、210℃或220℃等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为150～200℃。
[0028]优选地，所述固化的时间为10～80min，所述时间可以是10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min、60min、65min、70min、75min或80min等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，进一步优选为30～
60min。
[0029]作为本专利技术优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
[0030](1)将有机硅氧烷、石墨烯以及有机溶剂进行频率为80～120kHz、功率密度为1.5
‑
3.5W/cm2的超声混合20～75min，得到所述微孔层的前驱体；
[0031](2)将所述微孔层的前驱体涂覆在支撑层的一侧，通过温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层包括基体层和位于基体层表面的微孔层；所述微孔层的原料包括有机硅氧烷和石墨烯。2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述基体层为碳纸层；优选地，所述有机硅氧烷包括聚甲基硅氧烷；优选地，所述微孔层的原料还包括有机溶剂；优选地，所述有机溶剂包括四氢呋喃。3.根据权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，按照质量分数计所述微孔层的原料为：3～10％有机硅氧烷、3～15％石墨烯、75～94％有机溶剂；优选地，按照质量分数计所述微孔层的原料为：5～8％有机硅氧烷、5～13％石墨烯、79～90％有机溶剂。4.一种根据权利要求1
‑
3任一项所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将有机硅氧烷、石墨烯以及有机溶剂混合，得到所述微孔层的前驱体；(2)将所述微孔层的前驱体涂覆在基体层的一侧，通过固化得到所述气体扩散层。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混合的方式为超声混合；优选地，所述超声混合的频率为80～120kHz，进一步优选为90～110kHz；优选地，所述超声混合的功率密度为1.5
‑
3.5W/cm2，进一步优选为2～3W/cm2；优...

【专利技术属性】
技术研发人员：马千里，曹婷婷，米新艳，
申请(专利权)人：一汽解放汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：