一种气体扩散层及其制备方法和用途技术

本发明专利技术公开了一种气体扩散层及其制备方法和用途，所述气体扩散层，包括：微孔直径为３０－１００微米的碳黑层（２）和／或微孔直径为５０－１５０微米碳纤维层（１）。所述气体扩散层可广泛应用于燃料电池、电解池、超级电容电化学反应装置中气体扩散电极。本发明专利技术同时公开了所述气体扩散层的制备方法。本发明专利技术结构简单、合理、紧凑，克服了现有技术的诸多缺点，实现了透气性佳、排水性佳、导电性佳、催化剂层稳定、催化剂利用率高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学反应装置，具体地，涉及一种气体扩散层及其制备方法和用途。
技术介绍
燃料电池、电解池、超级电容的电极是一种多孔的气体扩散电极，一般由扩散层和 催化剂层组成。不同的扩散层材料对于电极的结构、制作工艺和性能有很大的影响。比如在质子交换膜燃料电池中燃料气体经过阳极扩散层到达催化剂层，在催化剂 的作用下发生电极反应，即H2-2H+2e该电极反应产生的电子通过扩散层的传导流经外电路到达阴极，同时氢离子在质 子交换膜的作用下到达阴极。氧气通过阴极扩散层后与氢离子和电子在催化剂作用下发生 电极反应生成水，即l/202+2H+2e-H20质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的水以气态和液态存在(取决于电池的温度和压 力)(Ersoz A, Olgun H, Ozdogan S. et al.，J. Power Sources. 2003，118(1-2) :384-392)， 水过多或过少对PEMFC的性能都会带来负面影响(黄乃科，王曙中，电源技术，2003，27(3) 329-332)。气体扩散层在电极中不仅起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还具备为电 极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能。选用高性能的气体扩散层材料有 利于改善电极的综合性能(JAMESL，ANDREW D. Fuel cell systems explained. England John ffiley&Sons Ltd.，2000. 66—69)。理想的扩散层应该具备3个特点良好的透气性、 良好的排水性和良好的导电性。一般的气体扩散层由基底材料和过渡层组成。在多种基 底材料中，炭纤维纸具有均勻的多孔质薄层结构和优异的导电性、化学稳定性和热稳定性， 是燃料电池中应用最为广泛的扩散层材料(Thomas T 0，Glendale，Hiroshil，et al.，US 3829327,1974.和 Teruaki Kitago，Tadaaki Yoshida，US :3998689,1976)。过渡层又被称 作中间层(邵志刚，衣宝廉，韩明等，电化学，2000,6(3) :317-323.),它的加入实现了反应 气体和反应产物在流场和催化层之间的再分配，对于增强导电性，提高电极性能、电池运行 稳定性和运行寿命起到了重要作用。L. R. Jordan 等人(JORDAN L R, SHUKLA A K, BEHRSING Τ, et al.，J. Power Sources, 2000,86 =250-254.)将炭粉与聚四氟乙烯(PTFE)乳液混合，加入适量溶剂，利用 超声波使其分散均勻，将它均勻地喷涂在基底材料的正反表面，烘干后于300 350°C下烧 结约30min，使PTFE熔融同时除去表面活性剂，最后得到由PTFE粘结炭和基底纤维的憎 水材料。加入的炭粉一方面起到增强导电性的作用，另一方面用来填充基底材料中纤维之 间的大孔，使得表面平整且孔径分布均勻。涂层液中PTFE与炭黑的质量比在20 80和 50 50之间为佳，涂层厚度在0.010 0.254mm之间，PTFE的含量为10% 50%。在PEMFC扩散层的研究中，徐洪峰、田颖等人在经过疏水处理过的炭纸上涂一层)(C-72R炭和聚四氟乙烯(PTFE)的混合物作为整平层。邵志刚、衣宝廉等(邵志刚，衣宝廉， 韩明等，电化学，2000，6⑶317-323).以水或乙醇作为溶剂，将炭黑和PTFE配成质量比为 1 1的溶液,混合均勻后用作整平层。Chan Lim等人(LIM C. WANG C Y.，Electrochimica Acta, 2004,49 (24) :4149-4156.)研究了 PTFE含量和扩散层厚度的影响。Giorgi等人 (JORDAN L R, SHUKLA A K, BEHRSING Τ.，Journal of PowerSources. 2000. 86 :250-254.) 认为增加扩散层中PTFE含量影响了扩散层的气孔率。L. R.J0rdan等人(KONG C S，KIM D Y, LEE H K, et al.，Journal of Power Sources, 2002,108 :185-191.)认为使用大颗粒的 乙炔黑代替Vulcan XC 72R炭能提高电池的性能。Chang Sun Kong等人在PEMFC扩散层中 加入造孔剂来改善电池中的传质问题。日本的M.Watanabe (WAT ΑΝΑΒΕ Μ. ,US :5137754,1992.)等人专利技术了一种新的憎水 处理方法，将平均分子量为250000的聚乙烯溶于庚烷中，配成一种成膜溶液，将基底材料， 如炭纤维纸浸入其中，待庚烷挥发后在炭纸上形成质量分数为5 %的PE涂层，然后将这种 具有聚乙烯涂层的炭纸放入不锈钢反应器中，在室温条件、含10%氩气的氟气气氛中氟化 约30min，获得性能优异的憎水材料。通过实验比较发现用这种憎水处理方法比用PTFE乳 液浸渍的方法制得的憎水材料的憎水性能更好。对基底材料作炭/PTFE涂层后，发现其中的小孔并不具备憎水性，因为PTFE分 子比那些小孔大10 100倍。从而在喷涂贵金属催化剂时会发现贵金属的渗透现象，导 致催化剂利用率的降低，因此须要对那些小孔进一步作憎水处理。V.K.KARL(KARL V K.， US =3899354,1975.)对涂层后的炭纸使用1. 5%石腊的石油醚稀溶液处理，再于50°C下烘 30min，可使涂层中的小孔具备有效的憎水性。或者使用2.0%醋酸纤维素的丙酮溶液处理， 也可得到很好的小孔憎水效果。另一种由日本丰田研究所专利技术的憎水处理方法是将基底材料暴露在一种经等离 子体处理过的炭氟化合物气体中，使表面沉积一层憎水材料。然而这种方法须要特别设计 大型设备，不适合大规模生产。为了简化生产工艺，并使基底材料中的小孔也获得疏水性，顾军等(顾军，于涛 等.，ZL200710019376. 7)用碳黑粉末和PTFE或PVDF制作成分散液，然后将基底材料放在 分散液中进行浸渍获得较好的气体扩散层。以上工艺过程虽然使得基底材料表面变得平整，但是不能完全避免催化剂渗透进 基底材料中，由于孔径要么太大，要么太小，导致反应气体扩散阻力增大或者反应生成的水 分难以排出。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对上述问题，提出一种气体扩散层及其制备方法和用途，以 实现透气性佳、排水性佳、导电性佳、催化剂层稳定、催化剂利用率高的优点。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是一种气体扩散层，包括微孔直径为30-100微米的碳黑层2和/或微孔直径为 50-150微米碳纤维层1。同时，本专利技术采用的另一技术方案是一种气体扩散层的应用，可广泛应用于燃料 电池、电解池、超级电容电化学反应装置中的气体扩散电极，所述电极包括电解质膜3、催化剂层4、气体扩散层5、极板6，电解质膜3两侧顺序对称的设置有催化剂层4、气体扩散层 5和极板6。同时，本专利技术采用的另一技术方案是一种气体扩散层的制备方法，其制备步骤如 下1)将碳纤维材料、分散剂和去离子水配置成均勻浆料，其中各组分的用量为碳 纤维材料为浆料的5-30wt%，分散剂为碳纤维材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种气体扩散层，其特征在于，包括：微孔直径为３０－１００微米的碳黑层（２）和／或微孔直径为５０－１５０微米碳纤维层（１）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：顾军，于涛，刘建国，邹志刚，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]