本发明专利技术涉及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；所述微孔层的制备原料包括：二氧化硅溶胶、聚乙烯醇、交联剂以及活性炭黑。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。电池还能够提高燃料电池的电化学性能。
【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]燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，近年来成为各国研究开发 的热点。
[0003]其核心部件膜电极是由气体扩散层、催化层和质子交换膜通过热压工艺制 备而成。作为具有导电性的多孔构件的气体扩散层通常设置在电极和隔离膜之 间。气体扩散层用于在电极层和外部电路之间稳定地转移氢气、氧气、水、电 子和热等。电解质的水合需要将燃料电池的最高操作温度限制为大约80℃。在 上述温度以上，会出现膜干燥，导致质子传导性降低。
[0004]另一方面，如果未有效地去除产生的水，会导致水聚集并淹没电极。这会 由于反应物的质量传输的阻力增大而导致电压损失。当燃料电池在低温下和/或 高电流密度下操作时经常出现淹没。在低温下，蒸汽压力降低，这使得更容易 出现这样的情况，即水蒸气分压会超过饱和蒸汽压力，并导致水在电极内部聚 集并阻挡气体在的扩散。由于燃料电池中的水的水平不仅严重地影响膜特性， 还严重地影响反应物的传输和电极反应动力学，所以保持阴极和阳极之间的最 佳的水平衡是实现更高水平的电池性能的重要因素。研究表明，利用自增湿膜 电极的出发点就是增大膜两侧水浓度。
[0005]CN113178590A公开了一种燃料电池气体扩散层及加工方法，所述气体扩 散层靠近双极板一侧表面分布若干不同深度和间距的椭圆凹槽微结构；靠近气 体入口处的椭圆凹槽微结构深度小于靠近气体出口处的椭圆凹槽微结构深度。 通过改变阴极气体扩散层靠近双极板表面的微结构，凹槽阴极入口方向间隔大 于出口方向凹槽间隔，入口方向凹槽深度小于出口方向深度，使气体扩散层表 面的液态水更易排出，进而防止燃料电池发生“水淹”。但是疏水性仍然有待提 高。
[0006]CN113178591A公开了一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其加 工工艺，所述气体扩散层靠近双极板一侧表面分布呈梯度的波浪状微凹槽结构， 且所述波浪状微凹槽结构位于气体扩散层的入口段与气体扩散层的出口段之 间。呈梯度的波浪状微凹槽结构为沿气体流动方向波浪状微凹槽结构的幅值和 波长同步梯度递增。按梯度分布的凹槽可以实现不同的水含量对应不同强度的 排水能力，保证沿气体流动方向水分布的一致性。通过上述的工艺可以实现材 料稳定的工作状态，使材料的寿命更长，但是疏水性却有待提高。
[0007]CN110676468A公开了一种对质子交换膜燃料电池内阴极气体扩散层材料 的疏水性能进行处理的方法。极板中与气体扩散层连接的实体部分为脊，两脊 之间的区域为流道，阴极气体扩散层的材料采用碳纸，处理的具体方法主要分 为：清洗去尘、烘干、将碳纸置入稀释的聚四氟乙烯悬浮液中浸泡、对特定区 域冲洗去除溶液、再次烘干等9个步骤。处
理方法仅对流道下方以及脊下的阴 极气体扩散层两个位置进行疏水性能处理。但是使用了碳纤维制备基层，表面 设置有拒水层，会导致燃料电池的电阻增加。
[0008]如何提高燃料电池的气体扩散层的疏水性能并提高燃料电池的电化学性 能，是燃料电池的重要研究方向。
技术实现思路
[0009]鉴于现有技术中存在的问题，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，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。
[0010]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]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。
[0012]所述微孔层的制备原料包括：二氧化硅溶胶、聚乙烯醇、交联剂以及活性 炭黑。
[0013]本专利技术中微孔层通过聚乙烯醇与二氧化硅溶胶以及活性炭黑复合形成微孔 层，具有较好的疏水性能、气体渗透性以及氧的有效扩散性，并能够减少水的 阻力，增加液态水的传输率，从而有效缓解水淹，其用于气体扩散层能够增加 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，使其能够作为动力电池用于汽车中。
[0014]作为本专利技术优选的技术方案，所述基体层为碳纤维纸层。
[0015]优选地，按照质量分数计所述微孔层的原料为：41～60％二氧化硅溶胶，、 32～45％聚乙烯醇、1～3％交联剂以及7～12％活性炭黑。
[0016]其中，所述二氧化硅溶胶的质量分数可以是41％、42％、43％、44％、45％、 46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、 58％、59％或60％等，所述聚乙烯醇的质量分数可以是32％、33％、34％、35％、 36％、37％、38％、39％、40％、41％、42％、43％、44％或45％等，所述交联剂 的质量分数可以是1％、1.5％、2％、2.5％或3％等，所述活性炭黑的质量分数可 以是7％、8％、9％、10％、11％或12％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。
[0017]优选地，按照质量分数计所述微孔层的原料为：45～55％二氧化硅溶胶、35～42％聚乙烯醇、1～3％交联剂以及8～11％活性炭黑。
[0018]优选地，所述聚乙烯醇的重均分子量为18～20万，其中所述重均分子量可 以是18万、18.5万、19万、19.5万或20万等，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。
[0019]优选地，所述交联剂为二缩二乙二醇。
[0020]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：
[0021](1)将强酸加入硅源和溶剂的混合液进行第一混合，向得到的混合液中加 入弱碱，得到二氧化硅溶胶；
[0022](2)将步骤(1)所述的二氧化硅溶胶、聚乙烯醇和交联剂进行第二混合， 再加入活性炭黑进行第三混合，得到复合凝胶；
[0023](3)将步骤(2)所述复合凝胶涂覆在基体层表面，经过干燥、固化得到 气体扩散层。
[0024]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述硅源和溶剂的质量比为： (20～30)：(70～80)，其中所述质量比可以是20:80、21:79、22:78、23:77、24:76、 25:75、26:74、27:73、28:72、29:71或30:70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(23～27)：(73～77)。
[0025]优选地，所述硅源包括正硅酸四乙酯。
[0026]优选地，所述溶剂包括无水乙醇。
[0027]优选的，步骤(1)所述强酸包括盐酸、硝酸或硫酸中的任意一种或至少两 种的组合，所述组合典型但非限制性实例有盐酸和硝酸的组合、盐酸和硫酸的 组合或硝酸和硫酸的组合等。
[0028]优选地，步骤(1)所述本文档来自技高网...
【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；所述微孔层的制备原料包括：二氧化硅溶胶、聚乙烯醇、交联剂以及活性炭黑。2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述基体层为碳纤维纸层；优选地，按照质量分数计所述微孔层的原料为：41～60％二氧化硅溶胶、32～45％聚乙烯醇、1～3％交联剂以及7～12％活性炭黑；优选地，按照质量分数计所述微孔层的原料为：45～55％二氧化硅溶胶、35～42％聚乙烯醇、1～3％交联剂以及8～11％活性炭黑；优选地，所述聚乙烯醇的重均分子量为18～20万；优选地，所述交联剂为二缩二乙二醇。3.一种根据权利要求1或2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)将强酸加入硅源和溶剂的混合液进行第一混合，向得到的混合液中加入弱碱，得到二氧化硅溶胶；(2)将步骤(1)所述的二氧化硅溶胶、聚乙烯醇和交联剂进行第二混合，再加入活性炭黑进行第三混合，得到复合凝胶；(3)将步骤(2)所述复合凝胶涂覆在基体层表面，经过干燥、固化得到气体扩散层。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述硅源和溶剂的质量比为：(20～30)：(70～80)，进一步优选为(23～27)：(73～77)；优选地，所述硅源包括正硅酸四乙酯；优选地，所述溶剂包括无水乙醇；优选的，步骤(1)所述强酸包括盐酸、硝酸或硫酸中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(1)所述强酸的浓度为10～20wt％，进一步优选为12～18wt％；优选地，步骤(1)所述弱碱包括氨水；优选地，步骤(1)所述弱碱的浓度为5～10wt％，进一步优选为6～8wt％。5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述第一混合的搅拌速率为30～3000r/min；优选地，所述第一混合的搅拌时间为1～100h；优选地，步骤(1)所述混合液的pH为5～6，进一步优选为5.3～5.7；优选地，步骤(1)所述二氧化硅溶胶的pH为7.5～8.2，进一步优选为7.7～8.0。6.根据权利要求3
‑
【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：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。