一种气体扩散层及制备方法技术

本发明专利技术公开一种气体扩散层及其制备方法，涉及氢燃料电池材料技术领域，以解决气体扩散层易使水分积聚或水分流失过多的缺点。在疏水性碳纸的表面涂布阻水浆料，形成阻水层，所述阻水浆料包含由十八烷基三氯硅烷与水聚合而成的阻水涂料；在所述阻水层的表面涂布保水浆料，形成保水层，获得预制扩散层；烧结所述预制扩散层，获得所述气体扩散层。本发明专利技术提供的一种气体扩散层及其制备方法，用于制备出一种既具有足够的水分保持质子膜湿润，又可以避免水分积聚阻碍气体传输的气体扩散层。分积聚阻碍气体传输的气体扩散层。分积聚阻碍气体传输的气体扩散层。

【技术实现步骤摘要】
一种气体扩散层及制备方法


[0001]本专利技术涉及氢燃料电池材料
，尤其涉及一种气体扩散层及制备方法。

技术介绍

[0002]气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心关键材料之一，其具有较好的导电性能及在抗腐蚀能力，起着支撑催化剂层以及为流体提供流通通道的作用。因此GDL材料的性能直接影响着电化学反应的进行和电池的工作效率。
[0003]GDL通常由基底层和微孔层(MPL)组成。基底层经过疏水处理后，在其上涂覆单层或多层微孔层，从而制成气体扩散层。其中，基底层通常由碳纤维各向异性堆叠分布组成，直接与双极板接触，主要起到支撑MPL和催化层、提供水
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电
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气
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热传输通道的作用；微孔层主要由纳米碳粉和疏水材料混合而成，直接与催化层接触，微孔层的引入主要是为了改善基底层的孔隙结构，提高表面平整度，降低催化层与支撑层的接触电阻，使气体和水再分配以防止“水淹”发生，同时防止催化层渗漏至基底层。
[0004]氢燃料电池运行时水以液体存在，当电池内部含水量达到饱和时，质子交换膜的离子导电性较高，可提升氢燃料电池的效率；当水含量过高会导致催化层发生“水淹”而不利于反应物向反应位点的运输。在设计和选型气体扩散层时，水管理的平衡是个重要课题，既需足够的水分保持质子膜湿润，也要避免水分积聚阻碍气体传输。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种气体扩散层及制备方法，以制备出一种既具有足够的水分保持质子膜湿润，又可以避免水分积聚阻碍气体传输的气体扩散层。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供一种气体扩散层的制备方法，包括：
[0007]在疏水性碳纸的表面涂布阻水浆料，形成阻水层，所述阻水浆料包含由十八烷基三氯硅烷和水聚合而成的阻水涂料；
[0008]在所述阻水层的表面涂布保水浆料，形成保水层，获得预制扩散层；
[0009]热处理所述预制扩散层，获得所述气体扩散层。
[0010]与现有技术相比，本专利技术提供的气体扩散层的制备方法中，在疏水性碳纸的表面涂布有阻水浆料，形成了阻水层，能够有效提高气体扩散层的疏水性以及耐久性。其中，该阻水浆料包含由十八烷基三氯硅烷和水聚合而成的阻水涂料。十八烷基三氯硅烷分子的亲水端朝向水滴，疏水链朝外，在与水进行聚合的过程中形成了纳米粒子。该纳米粒子经过不断的聚集最终会形成微尺寸颗粒，微尺寸颗粒的聚集体可以共价键合到疏水性碳纸表面并形成荷叶状的微纳米层级结构，可以在发生“水淹”前将气体扩散层中的水及时排出，保证燃料电池的正常输出。接着在阻水层的表面涂布保水浆料，形成保水层，获得了预制扩散层，由于保水层中不含十八烷基三氯硅烷，疏水能力远低于阻水层，这就使得质子交换膜充分润湿，避免了由于膜电极过于干涸而影响到质子交换膜的传质的现象发生，保证燃料电池的正常输出。最后将预制扩散层进行热处理后即可获得气体扩散层。
[0011]不仅如此，由于在碳纸表面涂布有阻水浆料后形成了微纳米层级结构，其孔隙小于疏水性碳纸的孔隙，从而可以形成阶梯孔隙，使制备出的气体扩散层具有良好的透气性。
[0012]另外，由于水和十八烷基三氯硅烷之间的反应相当温和，产生的副产物HCI量小且可以被回收再利用，因此阻水涂料的生产过程不仅简单易行，还不会对环境产生较大威胁，可对其进行大规模工业化生产。
[0013]第二方面，本专利技术提供了一种由上述气体扩散层制备方法制备出的气体扩散层。
[0014]与现有技术相比，本专利技术提供的一种气体扩散层的有益效果与第一方面提供的所述气体扩散层的制备方法的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
[0015]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0016]图1示出了本专利技术实施例提供的催化剂的制备方法流程图；
[0017]图2示出了本专利技术实施例一的气体扩散层产品进行单电池性能测试的结果。
具体实施方式
[0018]为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0019]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
[0020]现阶段中，氢燃料电池运行时水以液体存在，当电池内部含水量达到饱和时，质子交换膜的离子导电性较高，可提升氢燃料电池的效率；当水含量过高会导致催化层发生“水淹”而不利于反应物向反应位点的运输。当水含量过低会导致膜干化破裂，造成不可逆的损害。在设计和选型气体扩散层时，既需足够的水分保持质子膜湿润，也要避免水分积聚阻碍气体传输。
[0021]针对上述问题，本专利技术实施例提供的一种气体扩散层的制备方法，使得制备出的扩散层既具有足够的水分保持质子膜湿润，又可以避免水分积聚阻碍气体传输。图1示出了本专利技术实施例提供的气体扩散层的制备方法流程图。如图1所示，该制备方法包括：
[0022]步骤101：在疏水性碳纸的表面涂布阻水浆料，形成阻水层。
[0023]示例性的，在碳纸表面一次性饱和浸渍涂布常规疏水剂(例如水性聚四氟乙烯乳液或全氟乙烯丙烯共聚物乳液)后，在100℃～200℃下进行热风干燥1min～10min就可形成疏水性碳纸。该疏水剂的质量分数为5
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10wt％。应理解，本专利技术实施例所使用的碳纸既可以通过湿法抄造获得，还可以通过购买成品获得，在此不作限定。
[0024]示例性的，在疏水性碳纸的表面涂布阻水浆料后，需要在50℃～180℃下进行热风干燥0.5min～5min，才能使得在疏水性碳纸的表面形成的阻水层变得致密。阻水浆料包含由十八烷基三氯硅烷与水聚合而成的阻水涂料。十八烷基三氯硅烷分子的亲水端朝向水
滴，疏水链朝外，在与水进行聚合的过程中形成了纳米粒子。该纳米粒子经过不断的聚集最终会形成微尺寸颗粒，微尺寸颗粒的聚集体可以共价键合到疏水性碳纸表面并形成荷叶状的微纳米层级结构，当阻水层厚度为5μm～20μm时，可以很好的起到及时排水的作用，避免“水淹”现象的发生，确保燃料电池的正常输出。不仅如此，由于在碳纸表面涂布有阻水浆料后形成了微纳米层级结构，其孔隙小于疏水性碳纸的孔隙，从而可以形成阶梯孔隙，使制备出的气体扩散层具有良好的透气性。应理解，为了防止膜干裂，本专利技术实施例提供的阻水层并不是完全阻水，而是会在气体扩散层内保留一部分水分。
[0025]步骤102：在阻水层的表面涂布保水浆料，形成保水层，获得预制扩散层本文档来自技高网...

【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，包括：在疏水性碳纸的表面涂布阻水浆料，形成阻水层，所述阻水浆料包含由十八烷基三氯硅烷与水聚合而成的阻水涂料；在所述阻水层的表面涂布保水浆料，形成保水层，获得预制扩散层；热处理所述预制扩散层，获得所述气体扩散层。2.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述阻水层的厚度为5μm～20μm，所述保水层的厚度为10μm～30μm。3.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述在疏水性碳纸的表面涂布阻水浆料，形成阻水层前，所述制备方法还包括：将十八烷基三氯硅烷与水进行聚合反应，稀释后获得阻水涂料；所述十八烷基三氯硅烷与水的物质的量比为1：(2～2.5)；将所述阻水涂料、超导电炭黑、去离子水和助剂进行混合，获得阻水浆料；所述超导电炭黑包括科琴黑EC
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300J、超导电炭黑BP2000和科琴黑EC
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600JD中的至少一种；所述助剂包括表面活性剂、分散剂、粘度调节剂。4.根据权利要求3所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，按照质量份数计，所述阻水涂料的质量份数为0.5份～5份，所述表面活性剂的质量份数为0.1份～5份，所述超导电炭黑的质量份数为2份～10份，所述分散剂的质量份数为0.1份～10份，所述粘度调节剂的质量份数为0.1份～5份，所述去离子水的质量份数为70份～90份。5.根据权利要求3所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述将所述阻水涂料、超导电炭黑和助剂进行混合，获得阻水浆料，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋佃凤，汤秀秀，吴立群，郁国强，
申请(专利权)人：山东仁丰特种材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：