一种低温冷启动适应性气体扩散层及其制备方法与燃料电池技术

本发明专利技术提供了一种低温冷启动适应性气体扩散层及其制备方法与燃料电池，所述低温冷启动适应性气体扩散层包括依次连接的第一金属网层、第二金属网层与第三金属网层；所述第一金属网层包括依次连接的第一支撑层与第二支撑层；所述第二支撑层的表面设置有第一疏水材料；所述第二金属网层的表面设置有第二疏水材料；所述第三金属网层包括依次连接的第一微孔层与第二微孔层；所述第一微孔层的表面设置有第三疏水材料。本发明专利技术提供的低温冷启动适应性气体扩散层采用三个不同孔径的金属网层制备，具有三层梯度孔径结构，且不使用碳基材和碳粉作为原材料，可在低温停机时快速排水，并在低温冷启动时具有保水能力。温冷启动时具有保水能力。

【技术实现步骤摘要】
一种低温冷启动适应性气体扩散层及其制备方法与燃料电池


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，涉及一种电池结构，尤其涉及一种低温冷启动适应性气体扩散层及其制备方法与燃料电池。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池具有高效、环境友好、噪声低和可靠性高等优点，是未来工业化发展的重要方向之一，也是新能源领域的重要组成部分。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、应用成熟等特点，在汽车上得到广泛应用。氢燃料电池是商用车达成“碳达峰”和“碳中和”有效解决方案。质子交换膜燃料电池包括膜电极和双极板，所述膜电极是燃料电池的核心部件，所述膜电极包括依次层叠的质子交换膜、催化层和气体扩散层，所述膜电极中的气体扩散层一侧朝向膜电极中的催化层，一侧朝向双极板。
[0003]低温冷启动是影响氢燃料电池汽车商业化的主要因素之一，目前低温冷启动温度逐渐从
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20℃向
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30℃、
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40℃更低温的方向发展。燃料电池的性能输出很大程度上与膜电极内的环境有着密切的关系，内部水的分布情况会对电池的催化性能和膜的运输能力产生较大的影响，特别是在低温环境下，这些因素就显得尤为突出。
[0004]燃料电池低温启动前膜电极组件中的原始残余水含量，以及低温冷启动时膜电极结冰程度是影响低温冷启动是否成功的主要影响因素之一。膜电极组件中主要负责水管理的组件为气体扩散层，因此需要对气体扩散层结构进行设计适应燃料电池对低温冷启动提出的需求。膜电极中原始残余水含量对冷启动时的结冰状态产生明显影响，针对停机残余水分的去除主要依靠附带的辅助系统加热或吹扫去除，但是会消耗一定的功率，从而降低燃料电池系统的效率。通过优化气体扩散层结构，可以将膜电极中的水快速排出，减少辅助系统功率消耗，提高燃料电池系统效率。膜电极的设计在一定程度上影响低温冷启动时膜电极的结冰程度，燃料电池的冷启动分为水的生成、饱和、结冰和融化四个阶段。在水生成阶段，电化学反应的初始阶段水量较少，反应热量供应充足。在水饱和阶段，阴极催化层开始有水生成，使气体中的水蒸汽密度上升，直至饱和，该过程催化层反应生成的温度充足，不足以结冰。在水结冰阶段，随着催化层水汽量增加，反应生成的水接触到气体扩散层即刻将水排到双极板，而此时双极板外部的温度还未上升至零度以上，水将凝结成冰。因此需要气体扩散层具有一定的保水能力。
[0005]气体扩散层中反复的结冰
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融化循环对其物理化学性能会造成严重破坏；并且气体扩散层中的水结冰有刺破质子膜使阴阳极发生窜气的可能性，不仅影响电池输出性能还可能发生安全事故。
[0006]CN102456891A公开了一种燃料电池用具有梯度结构的气体扩散层及其制备方法和应用。所述气体扩散层由大孔炭基支撑体和微孔层叠合组成，构成微孔层的组成材料从远离电池流场的大孔炭基支撑体一侧镶嵌到大孔炭基支撑体内，构成过渡孔层；所述过渡孔层由微孔层的组成材料和大孔炭基支撑体的纤维构成，是通过微孔层的组成材料从远离电池流场的大孔炭基支撑体一侧嵌入得到的。但是，该气体扩散层仍旧采用碳材料作为支
撑层，而且制备方法较为复杂，不适合工业生产。
[0007]CN109868487A公开了一种用于质子交换膜(PEM)电解质水电解气体扩散层的制备方法，属于金属基底的气体扩散层的优化领域。本专利技术采用钛网作为基体，在其表面利用刷涂的方法修饰疏水层进行改性，以导电剂填充剂，与粘结剂、疏水剂配成浆料，刷涂到钛网基体上，制备担载在金属基底的气体扩散层。但是，该制备方法得到的气体扩散层不具有梯度孔径结构，这会导致气体扩散层排水速度慢，而且该气体扩散层的疏水材料与催化层直接接触，这不利于催化层的保水。
[0008]CN112310413A本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。但是复合碳材料扩散层使用碳纳米管和碳纤维作为原材料，无法避免气体扩散层的亲水性，无法实现在低温停机时快速将水排出。
[0009]基于现有技术，开发一种低温冷启动适应性气体扩散层，解决低温停机时可以快速将水排出、低温冷启动时具有一定的保水能力的问题，成为目前亟待解决的重点。

技术实现思路

[0010]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低温冷启动适应性气体扩散层及其制备方法与燃料电池。所述方法采用三个不同孔径的金属网制备的低温冷启动适应性气体气体扩散层具有三层梯度孔径结构，并且不使用碳基材和碳粉作为原材料，可有效避免低温冷启动适应性气体扩散层的亲水性，实现低温停机时快速将水排出。在低温冷启动适应性气体气体扩散层表面设计一定厚度不包含疏水材料，可实现在低温冷启动时具有一定的保水能力。将其组装成单电池进行测试，在湿度为40％RH～50％RH下，电流密度可达到1410～1330mW/cm2@0.6V；在
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30℃可成功低温冷启动。
[0011]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0012]第一方面，本专利技术提供了一种低温冷启动适应性气体扩散层，所述低温冷启动适应性气体扩散层包括依次连接的第一金属网层、第二金属网层与第三金属网层；
[0013]所述第一金属网层包括依次连接的第一支撑层与第二支撑层；所述第二支撑层的表面设置有第一疏水材料；
[0014]所述第二金属网层的表面设置有第二疏水材料；
[0015]所述第三金属网层包括依次连接的第一微孔层与第二微孔层；所述第一微孔层的表面设置有第三疏水材料。
[0016]本专利技术所述金属网是热和电的良导体，还具有耐高压、刚度大、渗透性好、孔径和孔隙可控以及加工性强等优点，能够增强低温冷启动适应性气体扩散层的强度和热导率、减小低温冷启动适应性气体扩散层的电阻率。
[0017]本专利技术所述第二支撑层、第二金属网层和第一微孔层的表面分别设置的第一疏水材料、第二疏水材料和第三疏水材料使低温冷启动适应性气体扩散层具有亲疏水梯度结构，这种亲疏水梯度结构能够引导低温冷启动适应性气体扩散层中水的排放，实现低温冷
启动适应性气体扩散层中水的均衡。
[0018]本专利技术提供的低温冷启动适应性气体扩散层具有以下优点：(1)疏水材料仅分布在金属网内部，可有效防止疏水材料影响金属的导电性，并可不需要制备微孔层，额外通过碳粉改善疏水材料的导电性；(2)使用金属网作为低温冷启动适应性气体扩散层的基底，由于金属的延展性优于碳材料，可降低低温冷启动适应性气体扩散层厚度，提高燃料电池电堆的体积功率密度；在降低低温冷启动适应性气体扩散层厚度的同时，不影响批量化生产收卷工艺的实现；(3)使用金属网作为低温冷启动适应性气体扩散层基底，由于金属的电子传导能力和热传导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低温冷启动适应性气体扩散层，其特征在于，所述低温冷启动适应性气体扩散层包括依次连接的第一金属网层、第二金属网层与第三金属网层；所述第一金属网层包括依次连接的第一支撑层与第二支撑层；所述第二支撑层的表面设置有第一疏水材料；所述第二金属网层的表面设置有第二疏水材料；所述第三金属网层包括依次连接的第一微孔层与第二微孔层；所述第一微孔层的表面设置有第三疏水材料。2.根据权利要求1所述的低温冷启动适应性气体扩散层，其特征在于，所述低温冷启动适应性气体扩散层包括依次连接的第一支撑层、第二支撑层、第二金属网层、第一微孔层和第二微孔层；优选地，所述第二支撑层的孔径范围为6μm～100μm；优选地，所述第二支撑层的厚度为20μm～150μm；优选地，所述第二金属网层的孔径范围为0.2μm～3μm；优选地，所述第二金属网层的厚度为20μm～150μm；优选地，所述第一微孔层的孔径范围为5nm～100nm；优选地，所述第一微孔层的厚度为20μm～150μm。3.根据权利要求1或2所述的低温冷启动适应性气体扩散层，其特征在于，所述第一支撑层的孔径范围为12μm～200μm；优选地，所述第一支撑层的厚度为0.5μm～2μm；优选地，所述第一支撑层的表面粗糙度为5μm～8μm；优选地，所述第二微孔层的孔径范围为0.05μm～1μm；优选地，所述第二微孔层的厚度为0.5μm～2μm；优选地，所述第二微孔层的表面粗糙度为5μm～8μm。4.根据权利要求1
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3任一项所述的低温冷启动适应性气体扩散层，其特征在于，所述第一金属网层、第二金属网层与第三金属网层的网状结构分别独立地包括烧结毡、冲孔网、编织网、拉伸网、激光打孔网、线切割网、粉末冶金网、铸造网、注塑网或泡沫网中的任意一种；优选地，所述第一金属网层、第二金属网层与第三金属网层的材质分别独立地包括Ti、Cr、Au、Pd、Pt、Fe或Ni中的任意一种或至少两种的组合。5.根据权利要求1
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4任一项所述的低温冷启动适应性气体扩散层，其特征在于，所述第一金属网层、第二金属网层和第三金属网层分别独立地为设置有涂层的金属网；优选地，所述涂层包括碳化物、氮化物、碳或金属单质中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述碳化物包括钛的碳化物、铬的碳化物、钨的碳化物或钼的碳化物中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述氮化物包括钛的氮化物、铬的氮化物、钨的氮化物或钼的氮化物中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述金属单质包括Ti、Cr、Au、Pd、Pt、Fe或Ni中的任意一种。6.一种如权利要求1
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5任一项所述低温冷启动适应性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：
(1)第一金属网在第一疏水溶液中浸泡，烧结，得到第一金属网层；第二金属网在第二疏水溶液中浸泡，烧结，得到第二金属网层；第三金属网在第三疏水溶液中浸泡，烧结，得到第三金属网层；所述第一金属网层、第二金属网层和第三金属网层的制备不分先后顺序；(2)将第一金属网层、第二金属网层和第三金属网层叠合，表面处理，得到所述低温冷启动适应性气体扩散层；所述表面处理与第一金属网层、第二金属网层和第三金属网层的叠合不分先后顺序。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，以质量百分数计，所述第一疏水溶液包括：第一造孔剂、第一分散剂、第一疏水剂和第一溶剂；优选地，以第一疏水溶液的质量为基准，所述第一造孔剂的质量分数为8wt％～15wt％；优选地，以第一疏水溶液的质量为基准，所述第一分散剂的质量分数为0.1wt％
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2wt％；优选地，以第一疏水溶液的质量为基准，所述第一疏水剂的质量分数为20wt％～40wt％；优选地，以第一疏水溶液的质量为基准，所述第一溶剂的质量分数为43wt％～71.9wt％；优选地，以质量百分数计，所述第二疏水溶液包括：第二造孔剂、第二分散剂、第二疏水剂和第二溶剂；优选地，以第二疏水溶液的质量为基准，所述第二造孔剂的质量分数为4wt％～11wt％；优选地，以第二疏水溶液的质量为基准，所述第二分散剂的质量分数为0.1wt％
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2wt％；优选地，以第二疏水溶液的质量为基准，所述第二疏水剂的质量分数为10wt％～20wt％；优选地，以...

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