一种用于PEMFC膜电极的一体式气体扩散层及其制备方法和应用与流程

本发明涉及燃料电池，特别是涉及一种用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、气体扩散层(简称gdl)是指一种由纤维素纤维或聚合物纳米材料为原材料制成的电极层，常用于燃料电池和其他电化学应用中。气体扩散层通常带有微细孔隙，能够允许氢气、氧气等气体流动并分散至电解质膜，它不仅可以在电化学反应过程中提供气体输送功能，同时还能够驱动催化剂层表面的液态水快速排出，以防止催化层水淹。也就是说，gdl既具有传递气体和液体的功能，同时可以高效的导热、导电，使得电化学反应更加高效、稳定。气体扩散层对燃料电池膜电极性能发挥具有重要意义。

2、气体扩散层多为两层结构，包括由碳纸或碳布经疏水处理得到的基底层，碳颗粒和疏水剂、溶剂混合后经涂布、烘干、烧结制备而成的微孔层。通过改变微孔层结构和疏水剂含量进行燃料电池工况的适应性匹配，传统的气体扩散层制备方法存在的问题是：基底层、微孔层结合力不牢，在膜电极制备过程中微孔层与基底层容易脱开，影响膜电极性能，微孔层碳颗粒中需要添加粘结剂、疏水剂，降低微孔层的导电性，提升膜电极的欧姆阻抗。

3、因此，如何提供一种基底层与微孔层结合更加牢固的一体式气体扩散层是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法，以解决现有基底层与微孔层结合不牢固而导致的层间易脱开，进而影响膜电极性能的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将碳纤维原纸进行树脂浸渍工艺浸渍和预干燥得到碳纤维原纸浸渍纸，将碳纤维原纸浸渍纸进行高温碳化处理，得到碳化碳纤维纸；

5、(2)配制微孔层浆料，并将所述微孔层浆料涂敷于所述碳化基材碳纤维纸表面，经烘干、高温石墨化热处理，得到用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层。。

6、优选的，在上述用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法中，所述碳纤维原纸为pan基碳纤维经短切、分散、抄纸或干法成纸制备而成碳纤维纸或碳纤维布；

7、进一步优选的，所述气体扩散层基材的厚度为120-300μm。

8、优选的，在上述用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法中，步骤(1)中所述高温碳化处理在氮气气氛下进行，且所述碳化处理温度为800-1200℃。

9、优选的，在上述用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法中，步骤(2)中所述微孔层浆料包括碳材料、热塑性树脂胶粘剂和溶剂；

10、进一步优选的，所述热塑性树脂胶粘剂的质量分数为碳材料的5-50％；

11、进一步优选的，所述微孔层浆料的碳担载量为5-15％。

12、优选的，在上述用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法中，所述碳材料包括乙炔黑、炭黑、导电石墨、碳纳米管、石墨烯中的任意一种或几种；

13、进一步优选的，所述热塑性树脂胶粘剂包括聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇缩醛、乙烯-乙酸乙烯共聚树脂、氯乙烯-乙酸乙烯共聚树脂、过氯乙烯树脂、聚丙烯酸酯、聚酰胺和聚砜中的任意一种或几种；

14、进一步优选的，所述溶剂包括乙醇、乙二醇、异丙醇中的任意一种或几种。

15、优选的，在上述用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法中，步骤(2)中所述烘干温度为80-120℃，且控制烘干后的膜厚度为15-80μm。

16、优选的，在上述用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法中，所述高温石墨化处理在氩气氛围下进行，且所述高温热处理温度为1800-2500℃。

17、另一方面，本发明还提供了一种由上述任一方法制备得到的用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层。

18、以及本发明还提供了一种由上述任一方法制备得到的用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层在燃料电池中的应用。

19、本发明提供了一种用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法，与现有技术相比，其有益效果在于：

20、本发明一体化气体扩散层的制备方法，提升了微孔层与基底层的结合力，有效解决了气体扩散层易分层的问题；

21、本发明的微孔层涂敷后进行碳化、高温热处理，大大提升了气体扩散层的导电性；并且通过调节最终的热处理温度和气体氛围，可以对气体扩散层整体进行表面改性，适应不同的燃料电池运行工况。

技术特征：

1.一种用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述碳纤维原纸是由pan基碳纤维经短切、分散、抄纸或干法成纸制备而成；

3.根据权利要求1所述的用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述高温碳化处理在氮气气氛下进行，且所述碳化处理温度为800-1200℃。

4.根据权利要求1所述的用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述微孔层浆料包括碳材料、热塑性树脂胶粘剂和溶剂；

5.根据权利要求4所述的用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述碳材料包括乙炔黑、炭黑、导电石墨、碳纳米管、石墨烯中的任意一种或几种；

6.根据权利要求1所述的用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述烘干温度为80-120℃，且控制烘干后的膜厚度为15-80μm。

7.根据权利要求1所述的用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述高温石墨化处理在氩气氛围下进行，且所述高温热处理温度为1800-2500℃。

8.一种权利要求1-7任一项所述方法制备得到的用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层。

9.一种权利要求1-7任一项所述方法制备得到的用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层或权利要求8所述的用于pemfc膜电极的一体式气体扩散层在燃料电池中的应用。

技术总结
本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种用于PEMFC膜电极的一体式气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：对碳纤维原纸树脂浸渍及高温碳化处理，得到碳化碳纤维纸；配制微孔层浆料，并将所述微孔层浆料涂敷于所述碳化碳纤维纸表面，经烘干、高温石墨化处理，得到用于PEMFC膜电极的一体式气体扩散层。本发明一体化气体扩散层的制备方法，提升了微孔层与基底层的结合力，有效解决了气体扩散层易分层的问题；另外本发明的微孔层涂敷后进行碳化、高温热处理，大大提升了气体扩散层的导电性；并且通过调节最终的热处理温度和气体氛围，可以对气体扩散层整体进行表面改性，适应不同的燃料电池运行工况。

技术研发人员：朱凤鹃,王一鑫,韩爱娣,龚云海,沈逸东
受保护的技术使用者：浙江唐锋能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6