【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，尤其是指一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法与应用。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池(pemfc)的核心部件之一为膜电极，其组成包括质子交换膜(pem)、催化层(cl)和带有微孔层(mpl)的气体扩散层(gdl)。气体扩散层位于催化层和气体流场之间，起到支撑催化层和收集电流的作用，同时也是反应气体和产物水的必要传输通道。其具体作用是将反应气体均匀分布传输至催化剂层表面，同时将反应产物液态水排出。在pemfc运行过程中，一方面要保有一定量的水提高质子交换膜的润湿性，降低膜的欧姆过电位；另一方面液态水含量过多会导致液态水占据气体扩散层孔隙并覆盖催化剂的表面，大大增加反应气的传输阻力，引发电极“水淹”现象，造成严重的浓差极化损失。为改善反应气和液态水在gdl中的传质，通常对碳纸或碳布进行疏水化处理，构建疏水的气相通道，同时在碳纸或碳布与催化层之间添加一层由导电碳黑和聚四氟乙烯(ptfe)物理混合制成的微孔层(mpl)以改善pemfc中的水气传输。通常采用造孔剂来调控mpl的孔径，如高温分解型(nh4)2co3和(nh4)c2o4、溶解型caco3、li2co3、nacl和nh4no3等，这些造孔剂使用时操作简单，能形成通孔且容易去除。
2、传统方法采取多孔碳粉与ptfe物理混合制备mpl，容易影响孔径分布，甚至导致部分堵孔形成。同时ptfe需在350℃左右热处理使其熔融，一定程度增加生产成本，耐水性也需提高。研究表明通过使用造孔剂制备具有分级孔隙率和多孔径分布的mpl可以提高燃料电池的水
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法与应用，具体为一种质子交换膜燃料电池用梯度孔微孔层及其制备方法与应用。本专利技术以蔗糖、葡萄糖、果糖、面粉、生物质、树脂等为碳源，采用sio2模板法制备了一系列多孔碳材料，采用化学嫁接法将分子级的疏水剂在材料上表面均匀接枝，并按一定顺序分层喷涂或刮涂在碳基底上制备气体扩散层中的微孔层。
2、本专利技术通过以下技术方案实现：
3、本专利技术第一个目的是提供一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，包括基底、硅烷改性多孔碳材料和粘结剂组成；所述硅烷改性多孔碳材料由不同孔径的硅烷改性多孔碳材料构成，所述硅烷改性多孔碳材料按照孔径由大到小的顺序依次分层涂覆在基底上。本专利技术中硅烷改性多孔碳材料孔径大小可控均一，且耐水冲刷能力强。
4、在本专利技术的一个实施例中，所述孔径的大小为20nm-400nm；例如20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm不等。
5、在本专利技术的一个实施例中，所述硅烷改性多孔碳材料通过以下方法制备得到：
6、(1)采用sio2模板法制备多孔碳材料；
7、(2)对所得多孔碳材料表面进行羟基化处理，得到表面带有羟基的碳材料；
8、(3)将所得表面带有羟基的碳材料与分散剂和硅烷混合，加热搅拌得到硅烷改性多孔碳材料。
9、在本专利技术的一个实施例中，步骤(1)中，所述制备多孔碳材料的碳源选自蔗糖、葡萄糖、果糖、面粉、生物质和树脂中的一种或多种。
10、在本专利技术的一个实施例中，步骤(2)中，所述羟基化处理的方法为用芬顿试剂对材料进行羟基化处理，具体为用一定浓度双氧水溶液和铁盐处理多孔碳材料，得到羟基化处理的碳材料。其中，铁盐、双氧水和多孔碳材料的比例为(0.5-1)g：30ml：(0.1-0.2)g。或者所述羟基化处理的方法为用强氧化剂处理碳材料，典型强氧化剂为浓硝酸或高锰酸钾；具体为1g碳材料分散于(50-150)ml 65％的硝酸溶液中，80℃回流搅拌4h-8h，然后使用去离子水洗涤多次，干燥得到所述表面带有羟基的碳材料。
11、在本专利技术的一个实施例中，步骤(3)中，所述硅烷选自乙烯基类硅烷、氯烃基类硅烷、氨烃基类硅烷、环氧烃基类硅烷、甲基丙烯酰氧烷基类硅烷、含硫烃基类硅烷、拟卤素类硅烷和烷烃类硅烷中的一种或多种。
12、在本专利技术的一个实施例中，步骤(3)中，所述分散剂选自异丙醇、乙醇和去离子水中的一种或多种；所述表面带有羟基的碳材料、硅烷与分散剂的计量比为1g：(5～10)ml：50ml。
13、在本专利技术的一个实施例中，所述基底选自碳纸和/或碳布。
14、在本专利技术的一个实施例中，所述粘结剂选自nafion溶液、ptfe和pvdf中的一种或多种。
15、本专利技术第二个目的是提供一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
16、将不同孔径的硅烷改性多孔碳材料分别与分散剂和粘结剂混合，得到不同孔径的微孔层浆料；
17、将所得不同孔径的微孔层浆料按照孔径由大到小的顺序依次喷涂或刮涂于基底上，干燥后得到所述质子交换膜燃料电池的气体扩散层。
18、在本专利技术的一个实施例中，所述分散剂选自异丙醇、乙醇和去离子水中的一种或多种；所述硅烷改性多孔碳材料、分散剂与粘接剂的比例为(0.1-0.2)g：10ml：(0.1-0.2)ml。
19、在本专利技术的一个实施例中，微孔层碳材料在基底上的负载量为0.5mg/cm2-2.0mg/cm2；微孔层浆料中疏水剂的质量占碳材料的1％-20％。
20、本专利技术第三个目的是提供所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层在制备燃料电池膜电极中的应用。
21、本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
22、1、本专利技术的气体扩散层由大孔碳基底及微孔层组成。微孔层通常采用造孔剂来形成多孔结构，研究表明该结构有利于燃料电池中的水气传输。本专利技术首先采用不同直径sio2作为硬模板制备出一系列具有均一孔径的多孔碳材料；本专利技术中制备得到的多孔碳材料孔径大小均一可控，并进行不同孔径的组合，有利于定量分析孔径大小对燃料电池性能的影响。
23、2、本专利技术采用化学嫁接法将疏水硅烷接枝到多孔碳表面，最后将改性后的材料通过超声喷涂或刮涂仪均匀喷涂或刮涂至碳纸基底上形成微孔层，该方法避免了高温热处理对碳材料的影响，通过化学键嫁接疏水剂提高了材料疏水稳定性。
24、3、本专利技术采取分层喷涂或刮涂不同孔径的多孔碳材料，通过简单操做即可形成定向梯度孔径，相较于单一孔径，定向梯度孔径样品性能得到显著提高。研究表明定向梯度孔径更有利于阴极产物水的排出，可以有效增强水气传输，提高电池性能。
25、4、本专利技术的制备方法可以避免类似传统ptfe物理混合并进行涂覆的堵孔现象。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，包括基底、硅烷改性多孔碳材料和粘结剂；所述硅烷改性多孔碳材料按照孔径由大到小的顺序依次分层涂覆在基底上。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述孔径的大小为20nm-400nm。
3.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述硅烷改性多孔碳材料通过以下方法制备得到：
4.根据权利要求3所述的气体扩散层，其特征在于，步骤(1)中，所述制备多孔碳材料的碳源选自蔗糖、葡萄糖、果糖、面粉、生物质和树脂中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，步骤(3)中，所述硅烷选自乙烯基类硅烷、氯烃基类硅烷、氨烃基类硅烷、环氧烃基类硅烷、甲基丙烯酰氧烷基类硅烷、含硫烃基类硅烷、拟卤素类硅烷和烷烃类硅烷中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，步骤(3)中，所述分散剂选自异丙醇、乙醇和去离子水中的一种或多种；所述表面带有羟基的碳材料、硅烷与分散剂的计量比为1g：(5～10)mL：50mL。
7.根据权利要求1所述的
8.一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂选自异丙醇、乙醇和去离子水中的一种或多种；所述硅烷改性多孔碳材料、分散剂与粘接剂的比例为(0.1-0.2)g：10mL：(0.1-0.2)mL。
10.权利要求1-7任一项所述的质子交换膜燃料电池的气体扩散层在制备燃料电池膜电极中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层，其特征在于，包括基底、硅烷改性多孔碳材料和粘结剂；所述硅烷改性多孔碳材料按照孔径由大到小的顺序依次分层涂覆在基底上。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述孔径的大小为20nm-400nm。
3.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述硅烷改性多孔碳材料通过以下方法制备得到：
4.根据权利要求3所述的气体扩散层，其特征在于，步骤(1)中，所述制备多孔碳材料的碳源选自蔗糖、葡萄糖、果糖、面粉、生物质和树脂中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，步骤(3)中，所述硅烷选自乙烯基类硅烷、氯烃基类硅烷、氨烃基类硅烷、环氧烃基类硅烷、甲基丙烯酰氧烷基类硅烷、含硫烃基类硅烷、拟卤素类硅烷和烷烃类硅...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。