一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层及其制备方法，该气体扩散层由至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜按照孔隙梯度堆叠形成，气体扩散层内孔隙尺寸分布范围为0.5nm

【技术实现步骤摘要】
一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池因其具有高能量密度、高工作转化效率、低工作温度且环保等诸多独特的优势，被视为最有前景的可替代传统化石能源的能量转化装置，现已广泛应用于交通运输、固定式电源、便携式发电系统等领域。
[0003]质子交换膜燃料电池主要是由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜构成，其工作原理为阳极的氢气发生氧化反应产生质子和电子，电子通过外电路与负载相连进行供能，质子通过质子交换膜到达阴极，与氧气发生还原反应生成唯一产物
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水。作为质子交换膜燃料电池核心组件之一，气体扩散层主要是将双极板传输的气体顺利运载至相应的催化剂层，同时将电池内部产生的水排出电池。
[0004]目前，气体扩散层主要由微孔层和基底层组成，基底层是对气体扩散层的整体结构起到支撑，而微孔层含有丰富的孔结构，能对水和气体的传输起到分配作用。当电池运行时，水会在阴极催化剂层和气体扩散层的接触处生成，尤其电池在大电流密度下工作时生成的水比较多，生成的水会在毛细压力的作用下通过气体扩散层排出电池。气体扩散层的水管理能力决定了电池在大电流密度下的性能，具有良好设计的气体扩散层能够及时的将水快速排出，而气体扩散层的设计不合理会影响电池的水管理能力，严重时可能会出现水淹的情况，水管理出现问题时将会影响气体在气体扩散层中的传输，最终迫使电池停止工作。所以，气体扩散层的设计和优化对改善和提高电池的水管理能力以及气体传输效率起到了重要的作用。
[0005]专利CN 109950551 A公开了一种用于燃料电池的增强型气体扩散层微孔膜、膜电极及其制备方法，所制备的增强型气体扩散层微孔膜的自支撑层选自多孔碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维非纺材料及碳黑纸的一种。可见该专利的气体扩散层包含微孔层和基底层。
[0006]专利CN102203995B公开了一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法、膜电极接合体及燃料电池，该专利的气体扩散层包括以导电性粒子和高分子树脂作为主成分且添加有比高分子树脂少的碳纤维的多孔构件，多孔构件含有2.0重量％以上且7.5重量％以下的碳纤维，并且含有10重量％以上且17重量％以下的高分子树脂，多孔构件是仅由导电性粒子和高分子树脂支撑的自支撑体结构。该专利是一种自支撑结构，但其并不具备孔隙梯度。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层及其制备方法，选用具有不同孔隙结构的碳材料与粘结剂和导电剂混合研磨，经过擀片辊压分别制备具有一定强度和厚度的自支撑碳膜，将自支撑碳膜按照孔隙尺寸大小进行堆叠组装，制备成具有梯度孔分布的气体扩散层，堆叠组装后的自支撑碳膜具有机械强度高、稳定性好、厚
度可调等优势，其用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层作为支撑。本专利技术简化了气体扩散层内部结构，自支撑碳膜梯度孔结构设计避免了原有技术中基底层水淹的风险，降低了质子交换膜燃料电池的生产成本。
[0008]本专利技术具体是通过以下技术方案来实现的，依据本专利技术提出的一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，由至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜按照孔隙梯度堆叠形成，气体扩散层内孔隙尺寸分布范围为0.5nm
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100μm，气体扩散层的厚度为200
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300μm。
[0009]前述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，其用于燃料电池时，孔隙尺寸小的自支撑碳膜靠近燃料电池催化剂层，孔隙尺寸大的自支撑碳膜靠近燃料电池气体输入端。
[0010]前述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，所述至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜具有相同或不同的厚度，其组装成微孔层时堆叠层数至少为三层。
[0011]本专利技术还提供一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其具体包括以下步骤：
[0012](1)将两种以上具有不同孔隙结构的碳材料作为气体扩散层梯度孔结构设计模板，每种碳材料与一定量粘结剂和导电剂混合研磨，之后通过擀片辊压的方法分别制备具有一定厚度的自支撑碳膜；
[0013](2)将步骤(1)制备的自支撑碳膜按照一定的组合顺序、组合比例和组合层数进行堆叠、冷轧组装，得到具有梯度孔分布的气体扩散层，该气体扩散层的厚度为200
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300μm，其内部孔隙尺寸分布范围为0.5nm
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100μm，其内部孔隙由小到大梯度分布；孔隙尺寸小的自支撑碳膜靠近燃料电池催化剂层，孔隙尺寸大的自支撑碳膜靠近燃料电池气体输入端；堆叠后的自支撑碳膜用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层做支撑。
[0014]前述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，步骤(1)中，碳材料与导电剂、粘结剂按照质量比为(8
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9.5)：(1
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0)：(1
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0.5)进行混合研磨。
[0015]进一步地，步骤(1)中，滚轴宽度设定为0
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400μm。
[0016]前述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，步骤(2)中，不同孔隙结构的自支撑碳膜按照三层或者三层以上的层数进行堆叠、冷轧组装，不同孔隙结构的自支撑碳膜堆叠组装时具有相同或不同的厚度和质量比，最终制备的气体扩散层的厚度控制在200
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300μm。
[0017]进一步地，步骤(1)中所述的碳材料可以选用活性炭YP50F、活化氧化还原石墨烯和石墨烯，导电剂可以选用乙炔黑、科琴黑、石墨烯和碳管中的任意一种，粘结剂可以选用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、羟甲基纤维素、丁苯橡胶、聚丙烯酸和聚乙烯醇中的任意一种。
[0018]进一步地，制备活性炭自支撑碳膜时，活性炭与粘结剂所占的质量百分数分别为95％和5％；制备活化氧化还原石墨烯自支撑碳膜时，活化氧化还原石墨烯与粘结剂所占的质量百分数分别为95％和5％；制备石墨烯自支撑碳膜时，石墨烯与导电剂和粘结剂所占的质量百分数分别为80％、10％、10％。
[0019]更进一步地，粘结剂选用聚四氟乙烯的水溶液或者聚偏氟乙烯，聚四氟乙烯的水溶液中聚四氟乙烯的质量分数为5％。
[0020]本专利技术与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本专利技术可达到相当的技术进步性及实用性，并具有广泛的利用价值，其至少具有下列优点：
[0021](1)根据气体扩散层排水机理分析，整个气体扩散层的排水瓶颈在于微孔层与基底层的相接面，由于该相接面毛细管力的突变，相接面相邻的一定厚度内的基底层容易被水淹，导致气体扩散层排水能力变差。因此，使用具有机械强度高、稳定性好的自支撑碳膜可减少或避免基底层的使用，降低或避免基底层被水淹的风险。本专利技术选用具有不同孔隙结构的碳材料与粘结剂和导电剂混合研磨，经过擀片辊压分别制备具有一定强度和厚度的自支本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，其特征在于由至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜按照孔隙梯度堆叠形成，气体扩散层内孔隙尺寸分布范围为0.5nm
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100μm，气体扩散层的厚度为200
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300μm。2.如权利要求1所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，其特征在于孔隙尺寸小的自支撑碳膜靠近燃料电池催化剂层，孔隙尺寸大的自支撑碳膜靠近燃料电池气体输入端。3.如权利要求1所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层，其特征在于至少三种具有不同孔隙结构的自支撑碳膜具有相同或不同的厚度，其组装成气体扩散层时堆叠层数至少为三层。4.一种具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将两种以上具有不同孔隙结构的碳材料作为气体扩散层梯度孔结构设计模板，每种碳材料与一定量粘结剂和导电剂混合研磨，之后通过擀片辊压的方法分别制备具有一定厚度的自支撑碳膜；(2)将步骤(1)制备的自支撑碳膜按照一定的组合顺序、组合比例和组合层数进行堆叠、冷轧，得到具有梯度孔分布的气体扩散层，该气体扩散层的厚度为200
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300μm，其内部孔隙尺寸分布范围为0.5nm
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100μm，其内部孔隙由小到大梯度分布；堆叠冷轧后的自支撑碳膜用作质子交换膜燃料电池气体扩散层，不需要额外的基底层做支撑。5.如权利要求4所述的具有梯度孔分布的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于步骤(1)中，碳材料与导电剂、粘结剂按照质量比为(8
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【专利技术属性】
技术研发人员：苏小利，武超，师帅，周成群，宋丽君，董红政，
申请(专利权)人：洛阳理工学院，
类型：发明
国别省市：