一种气体扩散层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种气体扩散层及其制备方法和应用，属于燃料电池领域。本发明专利技术提供的具有离子吸附过渡层的气体扩散层，所述离子吸附过渡层位于基底层与微孔层之间，用于及时吸附燃料电池系统内产生的流向膜电极的铁、铜、铬等金属离子，防止金属离子随水汽转移到膜电极的催化层中，导致膜电极寿命下降。本发明专利技术解决了金属离子对膜电极性能和寿命的负面影响，利用离子吸附性金属有机框架材料的超高比表面积和超高吸附容量对金属离子产生产期稳定的吸附作用，降低金属离子对膜电极的污染，提高膜电极使用寿命。膜电极使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种气体扩散层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种气体扩散层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。为增加电料电池电堆的体积功率比，体积更小的金属双极板的使用逐渐增多。这就导致了需要更多地考虑电堆系统以及金属双极板中金属离子的析出对于膜电极的挑战。金属阳离子入侵到膜电极中将对催化剂产生危害，降低催化剂性能并缩减燃料电池寿命。通过不断提高金属双极板耐蚀性能够有效改善离子析出问题。同时，采取有效的措施阻止离子扩散至催化剂层，同样也是必要的防护手段。
[0003]气体扩散层作为质子交换膜燃料电池的膜电极(MEA)的重要组件，起到扩散反应气体(氢气、空气和水汽)和支撑催化层作用，同时也能够将燃料电池反应中生成的水及时排出。对于溶于水的金属离子来说，气体扩散层是其入侵催化层的必经途径。传统的气体扩散层主要以碳化导电材料为主，除了利用分级孔促进水的排出外，并没有其他有效手段对金属离子进行防护，导致金属离子在水、气的运载下污染催化层，性能降低。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，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和应用。本专利技术提供的气体扩散层将融入水汽中的金属离子吸附、固定在MOF材料的孔道之内，形成对膜电极催化层的保护屏障，保证催化性能。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种气体扩散层，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料。
[0007]优选地，所述离子吸附型金属有机框架材料包括JLU
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MOF60、ZJU
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101、TMU
‑
23和TMU
‑
24中的一种或多种。
[0008]优选地，所述离子吸附型金属有机框架材料为纳米级晶体粉末，所述纳米级晶体粉末的粒径为20～500nm。
[0009]优选地，所述离子吸附过渡层的厚度为20～25μm。
[0010]优选地，所述微孔层的厚度为25～30μm。
[0011]本专利技术还提供了上述技术方案所述的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
[0012]在基底层表面依次喷涂离子吸附过渡层浆料和微孔层浆料，得到所述气体扩散层，所述离子吸附过渡层浆料中含有离子吸附型金属有机框架材料。
[0013]优选地，所述喷涂的温度独立地为80～90℃。
[0014]优选地，喷涂所述微孔层浆料后还包括热处理，所述热处理的过程为在230～250℃恒温30min，然后升温至330～340℃保温60min。
[0015]优选地，所述离子吸附过渡层浆料中还含有无水乙醇、导电炭黑和聚四氟乙烯乳
液。
[0016]本专利技术还提供了上述技术方案所述的气体扩散层或上述技术方案所述制备方法制得的气体扩散层在燃料电池中的应用。
[0017]本专利技术提供了一种气体扩散层，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料。
[0018]本专利技术提供的是一种具有离子吸附过渡层的气体扩散层，用以解决金属离子对膜电极的负面影响。引入离子吸附型金属有机框架(MOF)材料在基底层与微孔层之间，利用MOF材料金属节点与有机配体螯合产生的对金属离子的吸附作用，将融入水汽中的金属离子吸附、固定在MOF材料的孔道之内，用于及时吸附燃料电池系统内产生的流向膜电极的铁、铜、铬等金属离子，防止金属离子随水汽转移到膜电极的催化层中，有效降低燃料电池系统内特别是金属双极板析出的金属离子对于膜电极催化层的损伤，形成对膜电极催化层的保护屏障。且MOF材料超高的比表面积所带来的超高吸附容量，能保证足以吸附整个燃料电池使用期间所产生的流向膜电极侧的微量金属离子。同时MOF材料具有极高的热稳定性，其热解温度远高于燃料电池的工作温度，能够确保其在长期使用中不会被热解。
[0019]进一步地，本专利技术中MOF材料在尺寸上为纳米级晶粒，能良好分散于离子吸附过渡层的孔隙周围，而不会对气体扩散层的透气性产生负面影响。
[0020]本专利技术还提供了上述技术方案所述的气体扩散层的制备方法，本专利技术制备方法简单，工艺流程短，适于工业化生产。
具体实施方式
[0021]本专利技术提供了一种气体扩散层，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料。
[0022]在本专利技术中，若无特殊说明，使用的原料均为本领域市售商品。
[0023]在本专利技术中，所述离子吸附型金属有机框架材料优选包括JLU
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MOF60、ZJU
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101、TMU
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23和TMU
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24中的一种或多种。
[0024]在本专利技术中，所述离子吸附型金属有机框架材料优选为纳米级晶体粉末，所述纳米级晶体粉末的粒径优选为20～500nm，更优选为130～260nm。
[0025]在本专利技术中，所述离子吸附型金属有机框架材料(MOF)优选为常规水热条件下采用表面活性剂抑制合成法或通过湿球研磨法制备的纳米级MOF晶体粉末。
[0026]在本专利技术中，所述基底层优选为碳纸、碳布、碳毡或导电聚合物基薄膜。
[0027]在本专利技术中，所述离子吸附过渡层的厚度优选为20～25μm。
[0028]在本专利技术中，所述微孔层的厚度优选为25～30μm。
[0029]在本专利技术中，所述微孔层的孔径优选为100～500nm。
[0030]本专利技术还提供了上述技术方案所述的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
[0031]在基底层表面依次喷涂离子吸附过渡层浆料和微孔层浆料，得到所述气体扩散层，所述离子吸附过渡层浆料中含有离子吸附型金属有机框架材料。
[0032]在本专利技术中，所述离子吸附过渡层浆料中优选还含有无水乙醇、导电炭黑和聚四氟乙烯(PTFE)乳液。
[0033]在本专利技术中，所述离子吸附过渡层浆料中PTFE乳液中PTFE质量浓度优选为10～
15％，所述导电炭黑的加入量优选为PTFE质量的20～25％，所述MOF的质量优选为导电炭黑质量的20～40％，更优选为30％。
[0034]本专利技术优选先将导电炭黑和MOF分散至无水乙醇中，并加入PTFE乳液，采用漩涡振荡5～10min，超声振荡1～2h，搅拌10～20min，得到所述离子吸附过渡层浆料，所述超声振荡的频率优选为40kHz，温度优选为室温。
[0035]在本专利技术中，所述微孔层浆料优选包括无水乙醇、导电炭黑和PTFE乳液。
[0036]在本专利技术中，所述微孔层浆料的PTFE乳液中PTFE质量浓度优选为15～20％，以形成一定的孔隙率梯度；所述导电炭黑的加入量优选为PTFE质量的20～25％。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体扩散层，其特征在于，包括依次层叠设置的基底层、离子吸附过渡层和微孔层，所述离子吸附过渡层中含有离子吸附型金属有机框架材料。2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述离子吸附型金属有机框架材料包括JLU
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MOF60、ZJU
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101、TMU
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23和TMU
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24中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的气体扩散层，其特征在于，所述离子吸附型金属有机框架材料为纳米级晶体粉末，所述纳米级晶体粉末的粒径为20～500nm。4.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述离子吸附过渡层的厚度为20～25μm。5.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述微孔层的厚度为25...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢佳平，朱维，姜伟峰，沈军，
申请(专利权)人：海卓动力北京能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：