微孔层、气体扩散层及其制备方法、燃料电池技术

本发明专利技术公开了一种微孔层、气体扩散层及其制备方法、燃料电池。本发明专利技术的微孔层包括平整部分和设置在所述平整部分上的多个凸起模块；所述凸起模块间隔设置，所述凸起模块的间距为0.05～0.6mm，所述凸起模块的高度为2～10μm。本发明专利技术的气体扩散层不容易发生水淹、大幅提升了气体扩散层的质量传输效率，提高了燃料电池极限电流密度，并且本发明专利技术的微孔层和气体扩散层制备方法简单、价格低廉、适宜商业化。适宜商业化。适宜商业化。

【技术实现步骤摘要】
微孔层、气体扩散层及其制备方法、燃料电池


[0001]本专利技术具体涉及一种微孔层、气体扩散层及其制备方法、燃料电池。

技术介绍

[0002]随着社会经济的快速发展，能源需求不断增大和环境污染问题日益严峻，发展高效可靠、环境友好型绿色能源受到各国的重视。为实现良好的能源转化，电化学催化作为一种实现能量转化与存储的高效且便捷的方式，对于新型储能的应用有着重要的意义。其中，气体扩散层在能量转化过程中扮演着重要作用。
[0003]气体扩散层由微孔层和基底层组成，其中微孔层的孔隙率为60
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90％，由碳材料和粘结剂组成，可以为催化层提供机械支持、减小催化剂层和气体扩散层之间的接触电阻、降低催化层和气体扩散层水淹的概率和减少质量传输限制。微孔层的制备主要包括三个步骤：浆料的制备、沉积和烧结。具体地，将碳材料与分散在水中的粘结剂进行机械混合，产生的浆液沉积在基底层的表面，沉积完成后进行热处理，将完全干燥的气体扩散层在较高的温度下烧结，使碳材料很好地粘结在基底层的表面。
[0004]目前针对气体扩散层的工作已经做了很多。中国专利文献CN112761025A公开了一种气体扩散层，该扩散层为多根碳纤维形成的三维交联的纤维膜，微孔与大孔连通，但该方法操作步骤繁杂，难以商业化。Antoni Forner
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Cuenca等(Adv.Mater.2015,27,6317
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6322)通过辐射接枝的方法，构建基底层亲疏水结构，但辐射接枝方法复杂，且仅仅针对基底层，难以进行应用推广。因此，如何开发工艺简单、价格低廉且具有高效传输效率的气体扩散层是成为燃料电池研发的重要挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术实际解决的技术问题是克服了现有技术中的燃料电池的气体扩散层容易水淹、质量传输效率低、制备方法复杂、成本高、难以商业化，提供了一种微孔层、气体扩散层及其制备方法、燃料电池。本专利技术的气体扩散层不容易发生水淹、大幅提升了气体扩散层的质量传输效率，提高了燃料电池极限电流密度，并且本专利技术的微孔层和气体扩散层制备方法简单、价格低廉、适宜商业化。
[0006]本专利技术通过以下技术方案解决上述技术问题：
[0007]本专利技术提供了一种微孔层，其包括平整部分和设置在所述平整部分上的多个凸起模块；所述凸起模块间隔设置，所述凸起模块的间距为0.05～0.6mm，所述凸起模块的高度为2～10μm，其中所述间距指的是相邻两个所述凸起模块之间形成的凹槽的宽度。
[0008]本专利技术通过在微孔层的平整部分设置多个凸起模块，从而使得凸起模块之间形成凹槽，催化层产生的水优先汇集到凹槽中，凸起模块为氧气提供传输通道，从而达到提高质量传输效率的目的。
[0009]本专利技术中，所述平整部分的厚度较佳地为5～15μm。
[0010]本专利技术中，所述凸起模块的高度较佳地为3～15μm，更佳地为5～10μm。
[0011]本专利技术中，所述凸起模块的高度指的是所述凸起模块相对于所述平整部分的凸起模块的高度。
[0012]本专利技术中，所述凸起模块的形状可为本领域常规，较佳地为柱体。
[0013]本专利技术中，所述凸起模块的横截面的形状可为本领域常规，较佳地为正方形、长方形和圆形中的一种或多种，更佳地为正方形，其中，所述横截面为平行于所述平整部分的截面。
[0014]其中，所述横截面的面积较佳地为0.09～0.49mm2，更佳地为0.16～0.36mm2，例如0.25mm2。
[0015]本专利技术某些较佳实施例中，所述凸起模块的横截面的形状为正方形，所述正方形的边长较佳地为0.3
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0.8mm，更佳地为0.4
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0.6mm，例如0.5mm。
[0016]本专利技术的某些较佳实施例中，所述多个凸起模块的形状均相同、所述多个凸起模块的横截面的形状均相同、多个所述凸起模块的横截面的面积均相同。
[0017]本专利技术中，所述凸起模块的间距较佳地为0.1～0.6mm，更佳地为0.2mm～0.4mm，进一步更佳地为0.2mm。
[0018]本专利技术中，较佳地，所述多个凸起模块呈阵列排布。
[0019]本专利技术的某些较佳实施例中，所述凸起模块的横截面为边长为0.4～0.5mm的正方形，所述凸起模块的间距为0.2mm、0.4mm或0.6mm。
[0020]本专利技术中，所述凸起模块占所述微孔层的面积比例较佳地为15％～60％，更佳地为16～55％，例如21％、25％、31％、44％或51％。其中，所述凸起模块的面积一般是指所述凸起模块平行于所述平整部分的横截面的面积。
[0021]本专利技术中，所述凸起模块和所述平整部分可采用本领域常规的方法制备得到，一般地可由微孔层浆料固化后获得。
[0022]其中，所述微孔层浆料可为本领域常规，较佳地包括1份炭黑、180～220份异丙醇和2～3份聚四氟乙烯乳液，其中份数均为质量份数。
[0023]所述微孔层浆料中，所述异丙醇较佳地为200份。
[0024]所述微孔层浆料中，所述聚四氟乙烯乳液较佳地为2.2份。
[0025]所述微孔层浆料中，所述聚四氟乙烯乳液的浓度可为本领域常规，较佳地为8～12wt.％，更佳地为10wt.％。
[0026]本专利技术还提供了一种如上所述微孔层的制备方法，其包括下述步骤：
[0027]S1：在基底层上施加微孔层浆料，得所述平整部分；
[0028]S2：在所述平整部分上所述凸起模块对应的位置处施加微孔层浆料，，固化后形成所述凸起模块，即可。
[0029]本专利技术中，所述施加的方法可为本领域常规，较佳地为涂覆，更佳地为喷涂。
[0030]S2中，较佳地，在所述平整部分上铺设一镂空掩膜，在所述镂空掩膜上施加所述微孔层浆料，固化后形成所述凸起模块，即可。
[0031]其中，本领域技术人员常规可以理解，所述镂空掩膜的镂空处与所述凸起模块所在的位置相对应，且镂空的形状和面积均与所述凸起模块的横截面相同。
[0032]其中，所述镂空掩膜的厚度可为本领域常规，一般大于所述凸起模块的高度即可，较佳地为大于30μm。
[0033]其中，所述镂空掩膜的材质可为本领域常规，较佳地为聚四氟乙烯或者聚氯乙烯。
[0034]S2中，所述固化可采用本领域常规的方法进行，较佳地为烧结。
[0035]其中，所述烧结的温度可为本领域常规，较佳地为300～400℃，更佳地为350℃。
[0036]其中，所述烧结的时间可为本领域常规，较佳地为0.8～1.5h，更佳地为1h。
[0037]其中，所述烧结所采用的设备可为本领域常规，一般地可为马弗炉。
[0038]本专利技术中，所述微孔层浆料的制备方法可为本领域常规，一般地包括下述步骤：将所述微孔层浆料各组分混合，即可。
[0039]其中，所述混合的方法可为本领域常规，较佳地为超声分散。
[0040]所述超声分散的时间可为本领本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微孔层，其特征在于，其包括平整部分和设置在所述平整部分上的多个凸起模块；所述凸起模块间隔设置，所述凸起模块的间距为0.05～0.6mm，所述凸起模块的高度为2～10μm，其中所述间距为相邻两个所述凸起模块之间形成的凹槽的宽度。2.如权利要求1所述的微孔层，其特征在于，所述平整部分的厚度为5～15μm；和/或，所述凸起模块的高度为3～15μm，较佳地为5～10μm；和/或，所述凸起模块垂直设置于所述平整部分；和/或，所述凸起模块的形状为柱体。3.如权利要求1所述的微孔层，其特征在于，所述凸起模块的横截面的形状为正方形、长方形和圆形中的一种或多种，较佳地为正方形，其中，所述横截面为平行于所述平整部分的截面；其中，所述横截面的面积较佳地为0.09～0.49mm2，更佳地为0.16～0.36mm2，进一步更佳地为0.25mm2；和/或，所述凸起模块的间距为0.1～0.6mm，较佳地为0.2mm～0.4mm，更佳地为0.2mm；和/或，所述凸起模块占所述微孔层的面积比例为15％～60％，较佳地为16～55％，例如21％、25％、31％、44％或51％；和/或，所述多个凸起模块呈阵列排布。4.如权利要求1所述的微孔层，其特征在于，所述凸起模块和所述平整部分由微孔层浆料固化后所得；其中，所述微孔层浆料较佳地包括1份炭黑、180～220份异丙醇和2～3份聚四氟乙烯乳液，其中份数均为质量份数；所述异丙醇较佳地为200份；所述聚四氟乙烯乳液较佳地为2.2份；所述聚四氟乙烯乳液的浓度较佳地为8...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜海波，李春忠，张文会，沈建华，陈爱平，余盛伟，毕瓅元，孙雪，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：