一种阳极自增湿气体扩散层及其制备方法

1.本发明属于气体扩散层的制备，涉及燃料电池技术领域，具体为一种具有良好自增湿效果的阳极气体扩散层，尤其适用于燃料电池汽车。


背景技术：

2.燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能的一类电池，其中氢燃料电池以氢气以及氧气作为燃料，水作为产物，从能源消耗以及环境污染的角度来看，能够真正实现零排放，低污染，具有非常好的应用前景。相较于传统的汽车发动机，燃料电池由于其本身是电化学反应，不受卡诺循环的限制，有着更高的能量转化率，因此，在未来汽车、轮船、飞机等领域有着很大的应用前景。
3.燃料电池气体扩散层位于催化剂层与双极板之间，它在燃料电池中起着支撑催化剂层，气体传输，排水的作用。在低湿度下，阳极气体扩散层需要保证阳极催化剂层侧有一定的水份；在高湿度下，还需排出由于渗透作用从阴极传递至阳极的部分水，防止催化剂层水淹现象的产生。
4.气体扩散层由碳纸和微孔层组成。当前，对于微孔层的制备方法主要有三种，喷涂，刮涂，以及静电纺丝。刮涂法制备微孔层的主要缺点在于：刮涂法制备的微孔层表面不均匀，有明显的缺陷，生产效率低，并且刮涂法制备得到的微孔层的重复性低，难以保证每次制备的微孔层的一致性。静电纺丝法制备的微孔层有着良好的性能，但是静电纺丝法制备微孔层的成本较高，而且通过这种方法制备微孔层操作较繁琐，需要长时间搅拌，需要控制静电纺丝的温度和速度条件。相比之下，喷涂法制备微孔层有着材料便宜，可重复性高，方法简单等优点，更适合于微孔层的制备。
5.目前，大多数气体扩散层的研究都是关于阴极气体扩散层的梯度化，中国专利cn111146467a公开了一种通过配置溶液，喷涂，烘干，烧结，喷涂不同含量的溶液，来得到具有梯度化效果的阴极梯度化气体扩散层，可是对于这种方法制备的气体扩散层其步骤过多，较繁琐；美国专利us8,945,790公开了一种通过将多层微孔层复合，制备具有梯度化的气体扩散层，但是这项专利中的阳极气体扩散层与阴极气体扩散层是相同的，缺少对阳极的单独设计；美国专利us6,821,661公开了一种具有亲水性的阳极气体扩散层，是在阳极气体扩散层侧添加水接触角小于140
°
的碳纤维，而阴极相较于阳极更加疏水，通过协同作用达到阳极亲水的目的，但是在这项专利中只是改变了碳纸，而未改变微孔层。他们都只是改善了阴极侧气体扩散层的结构或者单纯的改变阳极气体扩散层，而缺少了对阳极侧的改进以及对阳极侧的梯度化设计。阳极侧气体扩散层的改进也能有效提高燃料电池的性能，因此对于燃料电池阳极气体扩散层，应根据阳极的特点，制备在不同温度湿度下具有良好性能的阳极侧的气体扩散层，这样能够更好的起到水管理作用，保证燃料电池有着更高的效率。


技术实现要素：

6.本发明针对上述存在的问题，采用喷涂法，提供一种具有梯度化的阳极气体扩散层及其制备方法，以提高阳极侧气体扩散层的水管理能力。
7.本发明提出的梯度化阳极气体扩散层使用的原料包括碳纸，炭黑，聚四氟乙烯，乙醇。制备设备包括喷枪，管式炉，辊压器，气泵。通过使用喷涂以及辊压的方法，在碳纸上喷涂不同比例的炭黑与聚四氟乙烯的乙醇溶液并进行辊压，以达到在一定厚度下具有亲疏水性梯度化的效果。
8.为了实现上述目的，本发明设计的气体扩散层中的微孔层是聚四氟乙烯与炭黑的均匀分散乙醇悬浮溶液通过喷涂法制备的；梯度化阳极气体扩散层的制备过程包括配置接近碳纸侧微孔层，聚四氟乙烯(ptfe)：炭黑(cb)质量比＝3：7(溶剂为100ml乙醇)；远离碳纸侧微孔层，聚四氟乙烯：炭黑质量比＝1：9(溶剂为100ml乙醇)。
9.其悬浮溶液制备流程为：在100ml的乙醇中加入7g炭黑并磁力搅拌30分钟，超声30分钟，重复四次，得到均匀分散液后，加入3g聚四氟乙烯，再进行一次30分钟的磁力搅拌与一次30分钟的超声，最终得到聚四氟乙烯与炭黑的均匀分散悬浮溶液；利用喷枪将上述悬浮溶液均匀喷涂至碳纸上，并通过加热板将乙醇加热挥发得到微孔层，上述操作需要的装置主要有喷枪，气泵，管式炉，辊压器；喷枪口垂直于碳纸；气泵压力为5kpa；碳纸直接放在管式炉上，管式炉温度为200℃。
10.制备气体扩散层的步骤为：
11.a.将悬浮溶液加入至喷枪中，调节好喷枪口型；
12.b.打开管式炉，将碳纸置于管式炉内，将管式炉加热至200℃，打开气泵，将压力调节至5kpa；
13.c.启动气泵，喷枪中悬浮溶液喷至碳纸上，缓慢移动喷枪，使得悬浮溶液中炭黑以及聚四氟乙烯能够均匀喷至碳纸上，首先使用ptfe：cb质量比为3：7的悬浮溶液，第一层喷涂完毕后，进行第二层的喷涂，更换为ptfe：cb质量比为1：9的悬浮溶液，进行同样操作，其中，使用的碳纸厚度为200μm，喷涂的两层微孔层各为35μm；
14.d.使用辊压装置，进行辊压操作2-3次，将气体扩散层总厚度压缩至240μm，最终得到一种阳极自增湿气体扩散层。
15.本发明与现有技术相比，只需要配置悬浮溶液，喷涂，辊压即可得到气体扩散层，所需原料少，方法简单。此外，这种具有梯度化的阳极气体扩散层在低湿度下，由于具有一定疏水性，能保证催化剂层一定的含水量；在高湿度下，通过毛细压力从梯度化疏水性的微孔层将水排出，防止水淹现象。
附图说明
16.图1本发明阳极侧气体扩散层的结构示意图
17.图2为本发明气体扩散层sem表面图
18.图3为本发明的制备流程图
19.图4为本发明的水接触角测试结果(与商用gdl29bc对比)
20.图5为本发明的极化曲线测试图(与商用gdl29bc对比)
21.图6为本发明的功率密度测试图(与商用gdl29bc对比)
22.图7为本发明的电化学阻抗谱测试图(与商用gdl29bc对比)
23.图中：1、碳纸；2、接近碳纸侧微孔层；3、远离碳纸侧微孔层；4、碳纸；5、炭黑；6、聚四氟乙烯；7、乙醇；8、喷枪；9、管式炉；10、辊压器；11、炭黑的均匀分散液；12、炭黑与四氟乙烯的均匀分散液；13、聚四氟乙烯(ptfe)：炭黑＝3g/(100ml乙醇)：7g/(100ml乙醇)的均匀分散液；14、聚四氟乙烯(ptfe)：炭黑比＝1g/(100ml乙醇)：9g/(100ml乙醇)的均匀分散液；15、气泵。
具体实施方式
24.下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
25.一种阳极自增湿气体扩散层如图1所示，由碳纸1、接近碳纸侧微孔层2、远离碳纸侧微孔层3组成。
26.接近碳纸侧微孔层2材料组成比例为聚四氟乙烯(ptfe)：炭黑(cb)＝3g/(100ml乙醇)：7g/(100ml乙醇)，远离碳纸侧微孔层3材料组成比例为ptfe：cb＝1g/(100ml乙醇)：9g/(100ml乙醇)，乙醇纯度≥99.7％。
27.本发明提出的阳极自增湿气体扩散层制备过程如图3所示，本实施例操作步骤为：首先在100ml的乙醇7中加入7g炭黑5后，先进行30分钟的磁力搅拌，再进行30分钟的超声，循环四次。得到均匀分散液11后加入3g聚四氟乙烯6并再进行一次30分钟的磁力搅拌，再进行30分钟的超声，最后得到聚四氟乙烯与炭黑的均匀分散悬浮溶液12。
28.本发明提出的阳极自增湿气体扩散层为喷涂法制备，过程包括以下步骤：
29.a.将配置好的悬浮溶液13加入至喷枪8中，调节好喷枪8口型；
30.b.打开管式炉9，将碳纸4置于管式炉9上，将管式炉9加热至200℃，打开气泵，将压力调节至5kpa。
31.c.启动气泵15，将喷枪8中的悬浮溶液13喷至碳纸4上，缓慢移动喷枪8，使得cb：ptfe质量比为7：3的悬浮溶液13中炭黑5以及聚四氟乙烯6能够均匀喷至碳纸4上。第一层喷涂完毕后，进行第二层的喷涂，更换为cb：ptfe质量比为9：1的悬浮溶液14，进行同样操作。
32.d.使用辊压器10，进行辊压操作2-3次。
33.上述管式炉9温度控制在200℃，将悬浮溶液13以及悬浮溶液14中乙醇7快速蒸发而不会因为温度过高导致气体扩散层受损。使用喷涂法制备得到的梯度化阳极侧气体扩散层的碳纸4厚度为200μm。在辊压前，接近碳纸层的气体扩散层厚度为35μm，远离碳纸侧的气体扩散层厚度为35μm。辊压后，使气体扩散层总厚度降至240μm。将上述制备的气体扩散层进行性能测试，结果如图2，图4,图5，图6，图7所示。使用喷涂法制备的气体扩散层有较多孔，在高湿度下能够有效减少水在催化层附近的停留，防止催化剂层被水覆盖，降低电池效率。