一种具有新型结构的燃料电池气体扩散层及制备方法技术

本发明专利技术公开一种具有新型结构的燃料电池气体扩散层及制备方法，其中微孔层包括多层导电碳层、多层功能性组合层以及一层疏水混合层，多个功能性组合层与多个导电碳层为交错叠加设置，功能性组合层由多个疏水剂区和多个导电混合区分别阵列并交错构成，以实现气液分流，疏水剂区的宽度为对应双极板流场沟槽宽度，导电混合区的宽度为对应双极板流场脊背宽度；制备方法中针对碳基层使用两步憎水处理；在燃料电池运行过程中，本气体扩散层将实现憎水和导电性的平衡，有助于燃料电池运行时的气液传输，提高燃料电池的输出性能。提高燃料电池的输出性能。提高燃料电池的输出性能。

A new type of fuel cell gas diffusion layer and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有新型结构的燃料电池气体扩散层及制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，具体涉及一种具有新型结构的燃料电池气体扩散层及制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，其核心部件膜电极三合一通常由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜通过热压工艺制备而成。
[0003]气体扩散由导电的多孔材料组成，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排水等多重作用，实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配，是影响电极性能的关键部件之一，理想的气体扩散层应满足3个条件：良好的排水性、良好的透气性和良好的导电性。微孔层通常是为了改善基底层的孔隙结构而在其表面制作的一层碳粉层，厚度约为10
‑
100μm，一般是将基底层平整处理后在其表面通过丝印、刮涂、涂覆、溅射等工艺制备，其主要作用是降低催化层和基底层之间的接触电阻，使气体和水发生再分配，防止电极催化层“水淹”，同时防止催化层在制备过程中渗漏到基底层。
[0004]现有技术中，气体扩散层的微孔层通常由碳粉和少量的憎水剂分散后涂覆在碳基层表面，因此即使在未被实施防水处理的状态下也具有防水性。然而过多的疏水，会造成MEA的导电性变差，过多的亲水又导致气体扩散层排水性能较差，因此气体扩散层需在亲水和疏水性做出一定的平衡。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种具有新型结构的燃料电池气体扩散层及制备方法，其优点在于，气体扩散层将实现憎水和导电性的平衡，有助于燃料电池运行时的气液传输，提高燃料电池的输出性能。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
[0007]一种燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层置于双极板与CCM之间，所述气体扩散层包括与双极板组装的碳基层，以及与CCM组装的微孔层，所述微孔层包括多层导电碳层、多层功能性组合层以及一层疏水混合层，靠近CCM处的为疏水混合层，所述疏水混合层远离CCM的一侧面为功能性组合层，所述碳基层远离双极板的一侧面为导电碳层，多个所述功能性组合层与多个所述导电碳层为交错叠加设置；
[0008]所述功能性组合层由多个疏水剂区和多个导电混合区分别阵列并交错构成，以实现气液分流，所述疏水剂区的宽度为对应双极板流场沟槽宽度，所述导电混合区的宽度为对应双极板流场脊背宽度。
[0009]本专利技术进一步设置为：所述导电碳层和导电混合区均由导电混合浆料涂覆而成，所述导电混合浆料包括亲水剂和碳粉，所述亲水剂和碳粉的质量比为20
‑
40：1
‑
1.5；所述亲水剂为醇类溶剂和去离子水的混合液，所述醇类溶剂和去离子水的体积比为4
‑
6:1；
[0010]所述疏水混合层由疏水混合浆料涂覆而成，所述疏水混合浆料包括疏水剂、碳粉、
醇类溶剂和去离子水，所述疏水剂、碳粉、醇类溶剂、去离子水的质量比为1:15
‑
20:150
‑
250:50
‑
100；
[0011]所述疏水剂区由疏水剂溶液涂覆而成，所述疏水剂溶液包括去离子水和疏水剂，所述去离子水和疏水剂的质量比为150
‑
200：1。
[0012]本专利技术进一步设置为：所述疏水剂为聚四氟乙烯乳液、偏四氟乙烯乳液、氟化乙丙烯乳液中的一种或多种混合；
[0013]所述醇类溶剂为乙醇、异丙醇、正丙醇以及正丁醇中的一种或多种混合；
[0014]所述碳粉为石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、乙炔黑中的一种或多种组合。
[0015]本专利技术进一步设置为：所述导电碳层和功能性组合层的层数均为N层，优选的N的取值范围为2
‑
4；
[0016]本专利技术进一步设置为：所述导电碳层每层的湿厚均为1
‑
5μm，所述功能性组合层每层的湿厚均为1
‑
5μm，所述疏水混合层的湿厚为1
‑
5μm。
[0017]一种具有新型结构的燃料电池气体扩散层制备方法，所述制备方法包含以下步骤：
[0018](1)分别配置导电混合浆料、疏水混合浆料以及疏水剂溶液；
[0019](2)将碳基层浸入疏水剂溶液中，取出后进行第一次高温热处理至完全烘干后得到样品；
[0020](3)将疏水剂溶液沿步骤(2)样品的长度方向再次进行间隔式涂刷，并在样品内形成已涂刷区，每两个已涂刷区之间为未涂刷区，所述已涂刷区的宽度为对应双极板流场沟槽宽度，所述未涂刷区的宽度为对应双极板流场脊背宽度，涂刷完成后进行第二次高温热处理至完全烘干；
[0021](4)将完成步骤(3)的碳基层进行第一次焙烧处理后形成具有疏水结构的碳基层；
[0022](5)制备第一层导电碳层：将导电混合浆料涂覆在具有疏水结构的碳基层上、未进行二次涂刷疏水剂溶液的一面，并加热处理形成溶剂含量为20％
‑
50％凝胶态的第一层导电碳层；
[0023](6)制备第一层功能性组合层：沿导电碳层长度方向，分别将疏水剂溶液、导电碳浆料交错的涂刷在导电碳层上，加热处理形成溶剂含量为20％
‑
50％的凝胶态后，分别在导电碳层上形成阵列并交错的疏水剂区和导电混合区，所述疏水剂区的宽度为对应双极板流场沟槽宽度，所述导电混合区的宽度为对应双极板流场脊背宽度；
[0024](7)重复步骤(5)，在第一层功能性组合层上涂覆第二层导电碳层；重复步骤(6)，在第二层导电碳层上制备第二层功能性组合层；
[0025](8)重复步骤(7)，加热处理后形成具有多层导电碳层、多层功能性组合层的气体扩散层；
[0026](9)制备疏水混合层：将疏水混合浆料涂覆在经步骤(7)处理得到的多层导电碳层、多层功能性组合层的气体扩散层表面，随后进行加热处理形成溶剂含量为20％
‑
50％的凝胶态的疏水混合层；
[0027](10)第二次焙烧处理：将经步骤(1)
‑
(9)处理得到的气体扩散层微孔层进行第二次焙烧处理，形成具有新型结构的燃料电池气体扩散层。
[0028]本专利技术进一步设置为：步骤(3)、步骤(6)中均采用定制模具，分别实现具有疏水结
构的碳基层、功能性组合层的制备，所述定制模具包括板体，所述板体上沿其长度方向呈间隔式阵列有多个供浆料通过的刷涂通口区，每两个刷涂通口区之间为避免浆料通过的封闭区，所述刷涂通口区的宽度为对应双极板流场沟槽的宽度，所述封闭区的宽度为对应双极板流场脊背宽度。
[0029]本专利技术进一步设置为：所述板体截面呈具有高低峰的波浪状，所述刷涂通口区均设置在波浪状板体的最高峰处，所述封闭区均设置在板体功能板的最低峰处，所述定制模具的一端设有与封闭区相通的可拆卸式集料盒。
[0030]本专利技术进一步设置为：步骤(1)和步骤(3)中所述第一次高温热处理和第二次高温热处理的温度均为100
‑
120℃，时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池气体扩散层，所述气体扩散层置于双极板(1)与CCM(4)之间，所述气体扩散层包括与双极板(1)组装的碳基层(2)，以及与CCM(4)组装的微孔层(3)，其特征在于：所述微孔层(3)包括多层导电碳层(3
‑
1)、多层功能性组合层(3
‑
2)以及一层疏水混合层(3
‑
3)，靠近CCM(4)处的为疏水混合层(3
‑
3)，所述疏水混合层(3
‑
3)远离CCM(4)的一侧面为功能性组合层(3
‑
2)，所述碳基层(2)远离双极板(1)的一侧面为导电碳层(3
‑
1)，多个所述功能性组合层(3
‑
2)与多个所述导电碳层(3
‑
1)为交错叠加设置；所述功能性组合层(3
‑
2)由多个疏水剂区(3
‑2‑
1)和多个导电混合区(3
‑2‑
2)分别阵列并交错构成，以实现气液分流，所述疏水剂区(3
‑2‑
1)的宽度为对应双极板流场沟槽(1
‑
1)宽度，所述导电混合区(3
‑2‑
2)的宽度为对应双极板流场脊背(1
‑
2)宽度。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层，其特征在于：所述导电碳层(3
‑
1)和导电混合区(3
‑2‑
2)均由导电混合浆料涂覆而成，所述导电混合浆料包括亲水剂和碳粉，所述亲水剂和碳粉的质量比为20
‑
40：1
‑
1.5；所述亲水剂为醇类溶剂和去离子水的混合液，所述醇类溶剂和去离子水的体积比为4
‑
6:1；所述疏水混合层(3
‑
3)由疏水混合浆料涂覆而成，所述疏水混合浆料包括疏水剂、碳粉、醇类溶剂和去离子水，所述疏水剂、碳粉、醇类溶剂、去离子水的质量比为1:15
‑
20:150
‑
250:50
‑
100；所述疏水剂区(3
‑2‑
1)由疏水剂溶液涂覆而成，所述疏水剂溶液包括去离子水和疏水剂，所述去离子水和疏水剂的质量比为150
‑
200：1。3.根据权利要求2所述的一种燃料电池气体扩散层，其特征在于：所述疏水剂为聚四氟乙烯乳液、偏四氟乙烯乳液、氟化乙丙烯乳液中的一种或多种混合；所述醇类溶剂为乙醇、异丙醇、正丙醇以及正丁醇中的一种或多种混合；所述碳粉为石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、乙炔黑中的一种或多种组合。4.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层，其特征在于：所述导电碳层(3
‑
1)和功能性组合层(3
‑
2)的层数均为N层，优选的N的取值范围为2
‑
4。5.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层，其特征在于：所述导电碳层(3
‑
1)每层的湿厚均为1
‑
5μm，所述功能性组合层(3
‑
2)每层的湿厚均为1
‑
5μm，所述疏水混合层(3
‑
3)的湿厚为1
‑
5μm。6.一种权利要求1
‑
5任一项所述燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述制备方法包含以下步骤：(1)分别配置导电混合浆料、疏水混合浆料以及疏水剂溶液；(2)将碳基层(2)浸入疏水剂溶液中，取出后进行第一次高温热处理至完全烘干后得到样品；(3)将疏水剂溶液沿步骤(2)样品的长度方向再次进行间隔式涂刷，并在样品内形成已涂刷区(2
‑
1)，每两个已涂刷区(2
‑
1)之间为未涂刷区(2
‑
2)，所述已涂刷区(2
‑
1)的宽度为对应双极板流场沟槽(1
‑
1)宽度，所述未涂刷区(2
‑
2)的宽度为对应双极板流场脊背(1
‑
2)宽度，涂刷完成后进行第二次高温热处理至完全烘干；(4)将完成步骤(3)的碳基层(2)进行第一次焙烧处理后形成具有疏水结构的碳基层(2)；(5)制备第一层导电碳层(3
‑
1)：将导电混合浆料涂覆在具有疏水结构的碳基层(2)上、
未进行二次...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜永燚，
申请(专利权)人：昀际科技上海有限责任公司，
类型：发明
国别省市：