【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池或电解池领域，具体涉及一种多孔纳米纤维气体扩散层及其制备方法与应用。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池因其高能量转化效率、低污染、快速启动等应用优势，未来能够广泛用于交通领域、固定电站等。一般来说质子交换膜燃料电池单池由阴/阳极气体扩散层、阴/阳催化层、电解质膜等关键组件构成，各组件都与质子交换膜燃料电池性能、成本和稳定性息息相关。
2、气体扩散层作为质子交换膜燃料电池的关键组件之一，在质子交换膜燃料电池中起到传质、导电、导热等作用，其优化必然促进质子交换膜燃料电池发展。一般来说，质子交换膜燃料电池气体扩散层由微孔层和支撑层两部分构成。其中支撑层多为碳纤维纸或碳纤维布，微孔层为由碳粉、疏水材料等混合形成的多孔层。目前商用气体扩散层主要为日本东丽公司生产的toray系列、德国哥德堡公司生产的sgl系列等。国产很多公司近些年也在开发气体扩散层以使其摆脱国外产品的桎梏，但目前依然缺乏有效气体扩散层，究其原因在于气体扩散层制备工艺对设备要求较高。
技术实现思路
1、本专利技术的目的之一是提供一种多孔纳米纤维气体扩散层的制备方法。
2、本专利技术的目的之二是提供上述制备方法制得的多孔纳米纤维气体扩散层，具有渐变疏水性能。
3、本专利技术的目的之三是提供上述多孔纳米纤维气体扩散层的应用，可用于质子交换膜燃料电池以及其他燃料电池。
4、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
5、第一方面，本专利技术提供一种
6、(1)核层分散液的配制，具体如下：配制50～150g/l聚丙烯酸溶液，搅拌30～180min，随后加入离聚物粉末，搅拌30～180min，静置10～30min，获得均匀高分子溶液备用；配制100～200g/l乙炔黑分散液，超声30～180min，获得均匀碳粉溶液；将高分子溶液和碳粉溶液按体积比0.5～2：0.5～1.0混合均匀后，搅拌60～240min，获得核层分散液；
7、(2)壳层溶液的配制，具体如下：配制50～150g/l聚丙烯酸溶液，搅拌30～180min，随后加入等体积的60％聚四氟乙烯分散液，搅拌30～180min，静置10～30min，获得壳层溶液；
8、(3)纳米纤维气体扩散层的制备，具体如下：将核层分散液和壳层溶液分别置于注射器内，通过静电纺丝获得纳米纤维气体扩散层；
9、(4)纳米纤维气体扩散层的后处理操作，具体如下：将上述气体扩散层置于密闭装置中，并将装置升温至60～90℃；通入湿度为60～100％的氮气，氮气流速为30～2000mlmin-1，通入时间为24～48h，获得多孔纳米纤维气体扩散层。
10、步骤(3)中所述静电纺丝的参数：控制壳层溶液流速为0.02～1.5ml min-1，控制核层分散液流速为0.02～2.5ml min-1，设置稳压电源电压为10～18kv，纺丝针头与接收器间距为10～25cm。
11、步骤(1)中所述离聚物选自全氟磺酸树脂、全氟磺酸掺杂的聚吡咯、全氟磺酸掺杂的聚苯胺、硫酸根掺杂的聚吡咯、硫酸根掺杂的聚苯胺、十二烷基苯磺酸掺杂的聚吡咯、十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯胺、磷钨酸等。
12、第二方面，本专利技术提供上述制备方法制得的多孔纳米纤维气体扩散层。
13、所述气体扩散层的多孔纳米纤维由多层结构构成，核层为具有电子导电能力的纳米纤维构成，形成气体扩散层的电子传导通道，核层外侧第一层壳层由聚四氟乙烯和碳材料通过构成，即可以传导电子，同时可以容纳一部分液态水，使气体扩散层具备保湿能力，第二层壳层为聚四氟乙烯层，具有疏水功能，可以将液态水排出体外。
14、第三方面，本专利技术提供一种燃料电池，包括上述多孔纳米纤维气体扩散层。
15、与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
16、1.本专利技术的多孔纳米纤维气体扩散层具有较高孔隙率，为0.75～0.92，有利于反应气体进入气体扩散层。
17、2、本专利技术的多孔纳米纤维气体扩散层的多孔纳米纤维由多层结构构成，核层为具有电子导电能力的纳米纤维构成，形成气体扩散层的电子传导通道，核层外侧第一层壳层由聚四氟乙烯和碳材料通过构成，即可以传导电子，同时可以容纳一部分液态水，使气体扩散层具备保湿能力，第二层壳层为聚四氟乙烯层，具有疏水功能，可以将液态水排出体外。这样的话，在低湿度情况下，由于第一层壳层可以容纳一部分液态水，所以可以起到增湿气体的效果，从而使电池具有较高电化学性能。在较高湿度下或产物传输过程中，第二层壳层可以使多余液态水排出体外，避免高电流密度下大量液态水的产生影响气体传输过程，从而导致电池性能下降。
18、3.本专利技术的多孔纳米纤维气体扩散层组装的燃料电池在高电流密度区域具有较好传质性能。
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1.一种多孔纳米纤维气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多孔纳米纤维气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述静电纺丝的参数：控制壳层溶液流速为0.02～1.5mL min-1，控制核层分散液流速为0.02～2.5mL min-1，设置稳压电源电压为10～18kV，纺丝针头与接收器间距为10～25cm。
3.根据权利要求1所述的一种多孔纳米纤维气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述离聚物选自全氟磺酸树脂、全氟磺酸掺杂的聚吡咯、全氟磺酸掺杂的聚苯胺、硫酸根掺杂的聚吡咯、硫酸根掺杂的聚苯胺、十二烷基苯磺酸掺杂的聚吡咯、十二烷基苯磺酸掺杂的聚苯胺、磷钨酸等。
4.权利要求1至3任一项所述的述制备方法制得的多孔纳米纤维气体扩散层。
5.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求4所述的多孔纳米纤维气体扩散层。
【技术特征摘要】
1.一种多孔纳米纤维气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多孔纳米纤维气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述静电纺丝的参数：控制壳层溶液流速为0.02～1.5ml min-1，控制核层分散液流速为0.02～2.5ml min-1，设置稳压电源电压为10～18kv，纺丝针头与接收器间距为10～25cm。
3.根据权利要求1所述的一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙瑞利，文雅静，王炳翰，范小波，张帅，李文玲，常琳霞，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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