一种气体扩散层的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种气体扩散层的制备方法及其应用。所述制备方法包括以下步骤：将有机硅氧烷与碳纳米材料进行第一混合得到有机硅氧烷浓度为2～6wt％的第一悬浊液，将有机硅氧烷与碳纳米材料进行第二混合得到有机硅氧烷浓度为9～15wt％的第二悬浊液；将支撑层进行疏水处理后，在任意一面上涂覆所述第一悬浊液，干燥后得到第一涂层，在另一面上涂覆所述第二悬浊液，干燥后得到含第二涂层的样品，对所述样品进行烧结处理，得到所述气体扩散层。本发明专利技术制备的气体扩散层具有良好的疏水性和耐久性，有利于延长燃料电池的寿命，并且制备方法简单，适合大规模生产。适合大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种气体扩散层的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域，涉及一种气体扩散层的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]气体扩散层(GDL)和气体流道相连的第一层是支撑层(GB)，它主要是碳纸或碳布，一般厚度约为100～400μm，它的作用是气体分布器和集流体；第二层是薄的微孔层(MPL)，它的厚度一般为10～100μm，一般为单层，两层或三层，它包括碳粉和疏水性或者亲水性试剂。气体扩散层的作用是气体传输、低电阻下传导电子和低湿度情况下保持膜的湿润状态，高湿度下减缓水淹。水淹状态减少了电化学反应的催化位点，阻碍了反应物的传输，所以商业化GDL具有较好的疏水性，但在低湿度下，质子交换膜的质子传输速率随着湿度的降低明显下降，所以要求GDL在低湿度下具有良好的保水性能。
[0003]CN1949570公开了一种低温燃料电池用气体扩散层及其制备方法，气体扩散层由基底层和微孔层组成，所述微孔层由二种或二种以上导电碳材料混合而成；低温燃料电池用气体扩散层的制备方法为：按比例取二种或二种以上导电碳材料均匀混合成复合导电材料，将该复合导电材料与憎水剂在溶剂中分散均匀，形成浆料；将此浆料均匀的制备到经过憎水处理的多孔导电基底的一侧或两侧；最后经过热处理形成气体扩散层。但是低温燃料电池用气体扩散层及其制备方法存在以下不足：制备期间需要经过两次热处理，且制备过程中温度较高时间长，较为繁琐。
[0004]CN 111009666A公开了一种双层微孔层式气体扩散层制备方法，首先进行疏水化处理制备得到支撑层，将碳粉、无水乙醇、疏水剂和造孔剂混合后制备成1号浆料，将碳粉、无水乙醇和疏水剂混合后得到2号浆料，将1号浆料喷涂在支撑层上制备成为微孔层1，将2号浆料喷涂在微孔层1上制备形成微孔层2，在酸性水溶液浸泡后进行烘干和烧结处理，得到双层微孔层气体扩散层。但是采用的简单的碳粉制备得到的双层微孔层的性能需要进一步提高。并且制备过程两次涂覆，容易产生问题。
[0005]如何大规模简单化制备一种具有良好的疏水性和耐久性的气体扩散层，是本领域重要的研究方向。

技术实现思路

[0006]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气体扩散层的制备方法及其应用。
[0007]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]本专利技术的目的之一提供一种气体扩散层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0009](1)将有机硅氧烷与碳纳米材料进行第一混合得到有机硅氧烷浓度为2～6wt％的第一悬浊液，将有机硅氧烷与碳纳米材料进行第二混合得到有机硅氧烷浓度为9～15wt％的第二悬浊液。
[0010](2)将支撑层进行疏水处理后，在任意一面上涂覆步骤(1)所述第一悬浊液，干燥后得到第一涂层，在另一面上涂覆步骤(1)所述第二悬浊液，干燥后得到含第二涂层的样品，对所述样品进行烧结处理，得到所述气体扩散层。
[0011]其中，步骤(1)中第一悬浊液中的有机硅氧烷的浓度可以是2wt％、3wt％、4wt％、5wt％或6wt％等，其中第二悬浊液中有机硅氧烷的浓度可以是9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％或15wt％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。
[0012]本专利技术通过调配有机硅氧烷和碳材料的有机溶剂，在两侧先后丝网印刷形成燃料电池气体扩散层微孔层，制备简单，反应条件温和，适合大规模生产。本专利技术制备过程中基于聚甲基硅氧烷在热处理条件下分解为分子量较小的物质，从而降低微孔层的表面张力，并与科琴黑形成微纳结构，增大其粗糙度，结合紧密，从而实现微孔层的超疏水。
[0013]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述有机硅氧烷包括聚甲基硅氧烷。
[0014]优选地，步骤(1)所述碳纳米材料包括科琴黑、碳黑、乙炔黑或石墨粉中的任意一种或至少两种的组合。
[0015]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述第一混合中有机硅氧烷和所述碳纳米材料的质量比为(0.8～1.2):1，其中所述质量比可以是0.8:1、0.9:1、1:1、1.1:1或1.2:1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。
[0016]优选地，步骤(1)所述第二混合中有机硅氧烷和所述碳纳米材料的质量比为10：(2～4)，其中所述质量比可以是10:2、10:3或10:4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。
[0017]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述第一混合和第二混合的溶剂为有机溶剂。
[0018]优选地，所述有机溶剂包括四氢呋喃、二甲醚或四氯化碳中的任意一种或至少两种的组合，其中所述组合典型但非限制性实例有：四氢呋喃和二甲醚的组合、二甲醚和四氯化碳的组合或四氢呋喃和四氯化碳的组合等。
[0019]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(2)所述支撑层包括碳纸。
[0020]优选地，步骤(2)所述涂覆的方式包括丝网印刷。
[0021]优选地，步骤(2)所述干燥为自然晾干。
[0022]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(2)所述第一涂层中，有机硅氧烷的质量分数为1～10wt％，其中所述质量分数可以是1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％或10wt％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。
[0023]优选地，步骤(2)所述第一涂层中，碳纳米材料的质量分数为1～40wt％，其中所述质量分数可以是1wt％、5wt％、10wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、35wt％或40wt％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。
[0024]优选地，步骤(2)所述第一涂层中，有机硅氧烷和碳纳米材料的质量比为(0.8～1.2)：1，其中所述质量比可以是0.8:1、0.9:1、1:1、1.1:1或1.2:1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。
[0025]作为本专利技术优选的技术方案，步骤(3)所述涂覆的方式包括丝网印刷。
[0026]优选地，步骤(3)所述干燥为自然晾干。
[0027]优选地，步骤(3)所述样品乙中碳纳米材料的担载量为0.55～0.6mg/cm2，其中所述担载量可以是0.55mg/cm2、0.57mg/cm2、0.59mg/cm2、0.61mg/cm2、0.63mg/cm2或0.65mg/cm2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。
[0028]优选地，步骤(3)所述第二烧结处理的温度为180～200℃，其中所述温度可以是180℃、182℃、184℃、186℃、188℃、190℃、192℃、194℃、196℃、198℃或200℃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。
[0029]优选地，步骤(3)所述第二烧结处本文档来自技高网...

【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，所述制备方法包括以下步骤：(1)将有机硅氧烷与碳纳米材料进行第一混合得到有机硅氧烷浓度为2～6wt％的第一悬浊液，将有机硅氧烷与碳纳米材料进行第二混合得到有机硅氧烷浓度为9～15wt％的第二悬浊液；(2)将支撑层进行疏水处理后，在任意一面上涂覆步骤(1)所述第一悬浊液，干燥后得到第一涂层，在另一面上涂覆步骤(1)所述第二悬浊液，干燥后得到含第二涂层的样品，对所述样品进行烧结处理，得到所述气体扩散层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述有机硅氧烷包括聚甲基硅氧烷；优选地，步骤(1)所述碳纳米材料包括科琴黑、碳黑、乙炔黑或石墨粉中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述第一混合中有机硅氧烷和所述碳纳米材料的质量比为(0.8～1.2):1；优选地，步骤(1)所述第二混合中有机硅氧烷和所述碳纳米材料的质量比为10：(2～4)。4.根据权利要求1
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3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述第一混合和第二混合的溶剂为有机溶剂；优选地，所述有机溶剂包括四氢呋喃、二甲醚或四氯化碳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任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述支撑层包括碳纸；优选地，步骤(2)所述涂覆的方式包括丝网印刷；优选地，步骤(2)所述干燥为自然晾干。6.根据权利要求1
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5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述第一涂层中，有机硅氧烷的质量分数为1～10wt％；优选地，步骤(2)所述第一涂层中，碳纳米材...

【专利技术属性】
技术研发人员：马千里，
申请(专利权)人：一汽解放汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：