一种燃料电池气体扩散层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池气体扩散层的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤1，支撑层疏水处理：将支撑层浸渍于憎水剂溶液中，取出干燥后进行分段热处理；步骤2，配制微孔层浆料：将导电材料、二维MXene片层材料、憎水剂和有机溶剂均匀混合，制成微孔层浆料；步骤3，制备气体扩散层：将微孔层浆料反复喷涂于疏水处理后的支撑层上，至支撑层上的微孔层浆料达到预设载量，然后进行热处理，制得气体扩散层。本发明专利技术燃料电池气体扩散层的制备方法中，在支撑层疏水处理时采用分段加热的方式，使支撑层的疏水处理效果更好；并且本发明专利技术在制备微孔层时，通过加入二维MXene片层材料，提高了扩散层的导电性能。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池气体扩散层的制备方法
本专利技术属于燃料电池
，特别涉及一种燃料电池气体扩散层的制备方法。
技术介绍
燃料电池具有启动速度快、运行功率高和可靠性高等优点，在世界范围内引起了巨大的关注，成为一种非常具有发展前景的清洁能源。燃料电池以质子交换膜为电解质，直接将氢氧的化学能转化为电能，无需将气体压缩或升温。典型的燃料电池主要包括以下几部分：质子交换膜、催化层、气体扩散层和双极板。气体扩散层是反应气体和产物水的流通的通道，可为电化学反应提供电子通道，还能收集电流和支撑催化层，是燃料电池的重要组成部分。气体扩散层由两部分组成，即支撑层(基底层)和微孔层。支撑层的主要功能是实现“水-气”双相流和集流；微孔层不但具有一定的“水管理”功能，还可以降低催化层和支撑层之间的接触电阻。目前支撑层多选用高孔隙率的多孔碳纸，微孔层则是覆盖在支撑层上的厚度为10-100m的高导电碳粉层，然而对这个尺度的微观结构的控制并不容易，还存在气体扩散层的疏水性和导电性差的问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术公开了一种燃料电池气体扩散层的制备方法，以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术公开了一种燃料电池气体扩散层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：步骤1，支撑层疏水处理：将支撑层浸渍于憎水剂溶液中，取出干燥后进行分段热处理；步骤2，配制微孔层浆料：将导电材料、二维MXene片层材料、憎水剂和有机溶剂均匀混合，制成微孔层浆料；步骤3，制备气体扩散层：将所述微孔层浆料反复喷涂于疏水处理后的所述支撑层上，至所述支撑层上的微孔层浆料达到预设载量，然后进行热处理，制得所述气体扩散层。进一步地，所述步骤1中，所述分段热处理具体为：将温度升至240-250℃热处理所述支撑层15-45min后，再继续升温至340-350℃热处理所述支撑层15-45min。进一步地，所述二维MXene片层材料由单层或少层的过渡金属氮化物、金属碳化物和金属碳氮化物中的至少一种组成。进一步地，所述步骤2中，所述导电材料、所述二维MXene片层材料、所述憎水剂和所述有机溶剂的质量比为10:(0.1-5):(1-50):(100-1000)；通过超声分散的方式实现所述导电材料、所述二维MXene片层材料、所述憎水剂和所述有机溶剂的均匀混合。进一步地，所述支撑层为碳材料，优选为碳纸或碳布，所述碳材料的规格为20-100g/m2。进一步地，所述步骤1和所述步骤2中，所述憎水剂为聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯-六氟丙烯中的一种或两种；；所述步骤2中，所述导电材料包括碳纳米管、石墨粉和碳黑粉；所述有机溶剂包括甲醇、异丙醇、乙醇和N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。进一步地，所述步骤1中，所述憎水剂溶液的质量分数为1-10wt％；重复浸渍-干燥所述支撑层，使所述支撑层上的所述憎水剂含量为10-30wt％。进一步地，所述步骤1中，采用低温慢速干燥的方式对浸渍后的所述支撑层进行干燥，干燥温度为25-35℃。进一步地，所述步骤3中，所述微孔层浆料的喷涂方式为超声喷涂；将经过疏水处理的支撑层置于70-85℃的温度下进行喷涂操作。进一步地，所述步骤3中，所述预设载量为2-4mg/cm2；所述热处理具体为：在345-355℃下热处理25-35min。本专利技术的优点及有益效果是：本专利技术燃料电池气体扩散层的制备方法中，在支撑层疏水处理时采用分段加热的方式，使支撑层的疏水处理效果更好；并且本专利技术在制备微孔层时，通过加入二维MXene片层材料，提高了扩散层的导电性能。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为本专利技术的一个实施例中气体扩散层的制备方法的实施步骤图；图2为本专利技术的一个实施例中碳纸(支撑层)在疏水处理前、疏水处理后和喷涂微孔层浆料后的扫描电镜图；图3为本专利技术的一个实施例中碳纸疏水性(接触角)随浸渍次数和PTFE(憎水剂)浓度的变化曲线图；图4为本专利技术的实施例中碳纸疏水性(接触角)测试结果图；图5为不同制备方法制备出的气体扩散层的应力应变测试曲线图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术具体实施例及相应的附图对本专利技术技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。以下结合附图，详细说明本专利技术各实施例提供的技术方案。本专利技术一个实施例中公开一种燃料电池气体扩散层的制备方法，如图1所示，该制备方法包括以下步骤：步骤1，支撑层疏水处理：将支撑层浸渍于憎水剂溶液中，取出干燥后进行分段热处理；其中，支撑层浸渍的时间可以根据需要进行调整，例如浸渍时间为1-2min。疏水处理后的支撑层可以通过管式炉、焙烧炉或者马弗炉进行分段热处理。步骤2，配制微孔层浆料：将导电材料、二维MXene片层材料、憎水剂和有机溶剂均匀混合，制成均一的微孔层浆料；混合的方式可以采用机械搅拌或者超声分散。步骤3，制备气体扩散层：将微孔层浆料反复喷涂于疏水处理后的支撑层上，至支撑层上的微孔层浆料达到预设载量，然后进行热处理，制得气体扩散层。本实施例针对现有气体扩散层疏水性、导电性不好的问题，对气体扩散层的制备方法进行了改进。具体地，相对于现有气体扩散层制备方法进行支撑层疏水处理时只进行一次热处理，本实施例采用分段热处理的方式，可以有效提升支撑层的疏水处理效果，提高扩散层的疏水性能。另外本专利技术在制备微孔层时，添加了高导电的MXene材料，极大提高了扩散层的导电性能。图2示出了当碳纸为支撑层时，通过本专利技术中制备方法中疏水处理和喷涂处理后，碳纸表面的变化，可以看出该制备方法制备出的扩散层表面更为均匀。MXene材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料，MXene材料的近自由电子位于费米能级附近，为载流子快速传输提供了理想的传输通道，从而具备优异的导电能力。该材料组成可表示为Mn+1XnTx(其中M代表过渡族金属元素，X为碳和/或氮，Tx表示MXene材料由化学刻蚀前驱体MAX相而产生附着在其表面的-OH、-O、-F等官能团)，相比于石墨烯等碳材料单一的碳原子键合结构，M-X之间是共价键-离子键-金属键的混合价键，因此MXene材料拥有比石墨烯更加丰富可调的性能。如图5所示，经过疏水处理后碳纸的拉伸性能有了一定的提升，添加MXene材料的微孔层(实施例2)相比未添加MXene材料的微孔层(对比例1)的拉伸性能又进一步上升了。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：/n步骤1，支撑层疏水处理：将支撑层浸渍于憎水剂溶液中，取出干燥后进行分段热处理；/n步骤2，配制微孔层浆料：将导电材料、二维MXene片层材料、憎水剂和有机溶剂均匀混合，制成微孔层浆料；/n步骤3，制备气体扩散层：将所述微孔层浆料反复喷涂于疏水处理后的所述支撑层上，至所述支撑层上的微孔层浆料达到预设载量，然后进行热处理，制得所述气体扩散层。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1，支撑层疏水处理：将支撑层浸渍于憎水剂溶液中，取出干燥后进行分段热处理；
步骤2，配制微孔层浆料：将导电材料、二维MXene片层材料、憎水剂和有机溶剂均匀混合，制成微孔层浆料；
步骤3，制备气体扩散层：将所述微孔层浆料反复喷涂于疏水处理后的所述支撑层上，至所述支撑层上的微孔层浆料达到预设载量，然后进行热处理，制得所述气体扩散层。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述分段热处理具体为：
将温度升至240-250℃热处理所述支撑层15-45min后，再继续升温至340-350℃热处理所述支撑层15-45min。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二维MXene片层材料由单层或少层的过渡金属氮化物、金属碳化物和金属碳氮化物中的至少一种组成。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述导电材料、所述二维MXene片层材料、所述憎水剂和所述有机溶剂的质量比为10:(0.1-5):(1-50):(100-1000)；
通过超声分散的方式实现所述导电材料、所述二维MXene片层材料、所述憎水剂和所述有机溶剂的均匀混合。

【专利技术属性】
技术研发人员：邵森林，黄彬，罗涵煜，杨志，曾敏，翟晓强，
申请(专利权)人：南通美亚新型活性炭制品有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32