一种气体扩散层及制备方法与流程

本发明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。

背景技术：

1、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。

2、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-电-气-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。

3、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

1、本发明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。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种气体扩散层的制备方法，包括：

3、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；

4、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；

5、热处理所述预制扩散层，获得所述气体扩散层。

6、与现有技术相比，本发明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。

7、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。

8、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。

9、第二方面，本发明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。

10、与现有技术相比，本发明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。

技术特征：

1.一种气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括：

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：

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，包括：

6.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，所述在所述阻水层的表面涂布保水浆料，形成保水层，形成预制扩散层前，所述制备方法还包括：

7.根据权利要求6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，所述导电炭黑的质量份数为5份～20份，所述疏水剂的质量份数为1份～8份，所述分散剂的质量份数为1份～8份，所述粘度调节剂的质量份数为0.5份～5份，所述去离子水的质量份数为70份～90份。

8.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，所述热处理包括干燥和烧结，所述干燥温度为100℃～200℃，所述干燥时间为0.5min～5min，所述烧结温度为300℃～400℃，所述烧结时间为5min～15min。

9.一种由权利要求1～8任一项所述的气体扩散层的制备方法制备出的气体扩散层。

10.根据权利要求9所述的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层含有的阻水层具有直径为2μm～20μm的微粒，所述微粒是由缠结的纳米纤维形成的，所述纳米纤维直径为150nm～200nm，所述纳米纤维长度为2μm～10μm。

技术总结
本发明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。

技术研发人员：宋佃凤,汤秀秀,吴立群,郁国强
受保护的技术使用者：山东仁丰特种材料股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12