一种气体扩散层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种气体扩散层及其制备方法与应用，所述制备方法包括如下步骤：微孔层浆液涂覆在疏水基底上，得到所述气体扩散层；所述微孔层浆液由导电碳和磺酸基烃类助剂混合得到。本发明专利技术为了提升气体扩散层的气体透过性，以及改善气体扩散层的物化性能，故采用磺酸基烃类助剂，在气体扩散层的微孔层中建立能垒，降低微孔层浆液中颗粒间的团聚，从而提升气体扩散层的孔隙率，并降低了电阻；因此，在气体扩散层的微孔层中添加磺酸基烃类助剂后，微孔层浆液的分散性提高，浆液中的粒径尺寸明显降低，气体扩散层的电阻率、孔隙率及透气性也明显得到改善，得到的气体扩散层能够满足电池在大电流密度下的动力要求。在大电流密度下的动力要求。在大电流密度下的动力要求。

【技术实现步骤摘要】
一种气体扩散层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于质子交换膜燃料电池领域，涉及一种扩散层，尤其涉及一种气体扩散层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]由于质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、功率密度大及应用成熟等特点，已经得到了广泛应用，尤其是在汽车行业的应用。但是目前燃料电池的寿命达不到目前的市场越来越高的要求，因此提升寿命是解决燃料电池推广应用的最重要问题之一。
[0003]质子交换膜燃料电池中的膜电极是其中的核心部件，气体扩散层位于流场和催化层之间，其作用是支撑催化层、稳定电极结构、传质子、电子、热量及运输反应气体，并将生成物水快速排出。通常气体扩散层是由支撑层和微孔层构成，支撑层大多数为憎水处理过的多孔碳纸或是碳布，微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成，目的是降低催化层和支撑层的接触电阻，使反应气体和产物水在流场和催化层之间实现均匀分配，提高电极性能。随着燃料电池功率密度不断提升，在大电流密度下的气体扩散层的传质功能也逐渐引起重视。在大电密度下会产生大量的水，水若不及时排除，特别是面对低温冷启动工况下，会大大增加传质极化，导致电池性能较差，严重影响电池的寿命。因此在大电流密度下，水气通畅传质技术和电池寿命提升是气体扩散层面临的难题。
[0004]CN 109301258A公开了一种燃料电池气体扩散层及其制备方法，在碳纸的一面上涂覆气体扩散层浆料后烧结处理制得，所述气体扩散层浆料中包括PTFE、碳粉和多孔纳米纤维状镍粉；其通过在浆料中添加了多孔纳米纤维状镍粉，并控制碳粉与多孔纳米纤维状镍粉的质量比，来提升燃料电池气体扩散层的孔隙率、导电率及使用寿命。
[0005]CN 112952114A公开了一种气体扩散层及其制备方法和应用，该气体扩散层包括依次贴合的第一微孔层、第二微孔层和基底层；第一微孔层和第二微孔层均包括碳粉、聚四氟乙烯和SiO2/还原氧化石墨烯复合材料；其通过在微孔层中加入SiO2/还原氧化石墨烯复合材料，设计双层微孔层，构筑一种疏水性梯度变化的燃料电池气体扩散层，来提升大电流密度下扩散层的疏水特性。
[0006]上述现有技术都是基于在气体扩散层中引入添加剂，改善气体扩散层的孔隙率、疏水性及导电性等问题。但上述制备方法中，对于浆液的稳定性和稳定时间暂无说明，且常规微孔层浆液只能保持几个小时，不足以维持到后续的涂敷过程，微孔层浆液产生团聚会影响涂敷质量，进而造成电池整体性能显著下降。
[0007]基于以上研究，如何提供一种气体扩散层，所述气体扩散层中的微孔层浆液的分散性好，且其中的颗粒不易团聚，所述微孔层能显著提升气体扩散层中气体的透过性和水的排除，降低气体扩散层的电阻，从而有助于降低电池的欧姆极化和浓差极化，提升电池在大电流密度下动力的要求，成为了目前迫切需要解决的问题。

技术实现思路

[0008]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与应用，所述气体扩散层包括疏水基底和微孔层，所述微孔层能显著提升气体扩散层中气体的透过性和水的排除，降低气体扩散层的电阻，从而有助于降低电池的欧姆极化和浓差极化，提升电池在大电流密度下动力的要求，并且微孔层浆液的分散性好，颗粒不易团聚，稳定时间长。
[0009]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供了一种气体扩散层的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0011]微孔层浆液涂覆在疏水基底上，得到所述气体扩散层；
[0012]所述微孔层浆液由导电碳和磺酸基烃类助剂混合得到；
[0013]所述磺酸基烃类助剂包括琥珀酸双
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乙己酯磺酸钠、二丁基苯磺酸钠、木质素磺酸钠、缩合萘磺酸钠或聚苯乙烯磺酸钠中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制的组合包括琥珀酸双
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乙己酯磺酸钠和二丁基苯磺酸钠的组合，琥珀酸双
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乙己酯磺酸钠和木质素磺酸钠的组合，二丁基苯磺酸钠和缩合萘磺酸钠的组合，或琥珀酸双
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乙己酯磺酸钠和缩合萘磺酸钠的组合。
[0014]本专利技术采用磺酸基烃类助剂，其磺酸基作为极性端，与导电碳表面形成强有力的物理吸附和化学吸附，其中物理吸附是利用库仑力吸附，化学吸附是磺酸基团中的氧与导电碳表面的活性基团发生化学吸附，生成“C
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O
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SO2‑
R”，使得磺酸基烃类助剂能包裹在导电碳粒子表面，抵抗导电碳粒子之间的吸引力，建立能垒来降低微孔层浆液中颗粒间的团聚；同时在磺酸基烃类助剂用量达到饱和形成吸附后，还会提供一个空间壁垒，形成空间位阻效应，从而降低颗粒间的团聚；所述磺酸基烃类助剂在微孔层浆液涂覆后，可通过高温烘干分解排出。
[0015]优选地，所述磺酸基烃类助剂占微孔层浆液的0.05～5wt％，例如可以是0.05wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％或5wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0016]优选地，所述微孔层浆液的固含量为2～5wt％，例如可以是2wt％、3wt％、4wt％或5wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0017]优选地，所述微孔层浆液的pH为5～8，例如可以是5、6、7或8，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0018]优选地，所述导电碳包括导电炭黑、碳纤维、碳纳米管或石墨烯材料中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制的组合包括导电炭黑和碳纤维的组合，导电炭黑和碳纳米管的组合，或碳纳米管和石墨烯材料的组合。
[0019]所述导电炭黑包括科琴黑、乙炔黑、BP2000炭黑、Vulcan P炭黑、Printex L炭黑、Super P炭黑或Super S炭黑中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制的组合包括科琴黑和乙炔黑的组合，乙炔黑和BP2000炭黑的组合，或科琴黑和BP2000炭黑的组合。
[0020]所述碳纳米管包含单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管。
[0021]所述石墨烯材料包含石墨烯、氧化石墨烯、氢化石墨烯或氟化石墨烯中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制的组合包括石墨烯和氧化石墨烯的组合，石墨烯和氢化石墨烯的组合，或氧化石墨烯和氢化石墨烯的组合。
[0022]优选地，所述微孔层浆液中导电碳的碳载量为0.7～5mg/cm2，例如可以是0.7mg/cm2、1mg/cm2、2mg/cm2、3mg/cm2、4mg/cm2或5mg/cm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0023]优选地，所述微孔层浆液中还包括憎水剂、造孔剂和溶剂。
[0024]优选地，所述憎水剂包括聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚偏氟乙烯乳液或聚六氟丙烯乳液中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制的组合包括聚四氟乙烯和氟化乙烯丙烯共聚物的组合，聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯乳液的组合，或氟化乙烯丙烯共聚物和聚偏氟乙烯乳液的组合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：微孔层浆液涂覆在疏水基底上，得到所述气体扩散层；所述微孔层浆液由导电碳和磺酸基烃类助剂混合得到；所述磺酸基烃类助剂包括琥珀酸双
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乙己酯磺酸钠、二丁基苯磺酸钠、木质素磺酸钠、缩合萘磺酸钠或聚苯乙烯磺酸钠中的任意一种或至少两种的组合。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磺酸基烃类助剂占微孔层浆液的0.05～5wt％；优选地，所述微孔层浆液的固含量为2～5wt％；优选地，所述微孔层浆液的pH为5～8；优选地，所述导电碳包括导电炭黑、碳纤维、碳纳米管或石墨烯材料中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述微孔层浆液中导电碳的碳载量为0.7～5mg/cm2。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述微孔层浆液中还包括憎水剂、造孔剂和溶剂；优选地，所述憎水剂包括聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚偏氟乙烯乳液或聚六氟丙烯乳液中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述的造孔剂包括PEG
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200、PEG
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400、草酸铵、碳酸锂、氯化铵、(NH4)2CO3、(NH4)HCO3、葡萄糖、L
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阿拉伯糖或乙酸乙酯中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述溶剂包括去离子水、乙二醇、正丙醇、乙醇或NMP中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述憎水剂与导电碳的质量比为1:(1～3)；优选地，所述造孔剂与导电碳的质量比为1:(1～3)。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述微孔层浆液采用如下方法得到：(1)混合导电碳和憎水剂乳液5～10min，得到第一混合液；(2)混合溶剂与步骤(1)所得第一混合液20～30min，得到第二混合液；(3)混合造孔剂溶液与步骤(2)所得第二混合液5～10min，得到第三混合液；(4)混合磺酸基烃类助剂与步骤(3)所得第三混合液10～15min，再超声1～2h，得到所述微孔层浆液。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述混合的方式包括搅拌桨搅拌、磁力搅拌或剪切搅拌中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述混合的转速为5000～25000rpm，温度为
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5～15℃；优选地，步骤(1)所述憎水剂乳液中，憎水剂的质量百分数为10～65wt％；优选地，步骤(3)所述造孔剂溶液中，造孔剂的质量百分数为10～70wt％；优选地，步骤(4)所述超声的频率20～50kHz。6.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述疏水基底包括碳纸、碳毡、碳纤维纸、碳纤维编织布、网状钛基材、网状镍基材或网状铜基材中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述疏水基底使用前进行预处理，所述预处理的方法包括：疏水基底浸渍于质量百分数为10～20wt％的憎水剂乳液中，干燥后得到经预处理的疏水基底；
优选地，所述浸渍的次数为2～8次，温度为30～40℃；优选地，单次所述浸渍的时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：于力娜，朱雅男，唐柳，米新艳，王绍杉，张中天，王晶晶，刘晓雪，
申请(专利权)人：一汽解放汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：