【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池，具体涉及一种气体扩散层及其制备方法和应用。
技术介绍
1、氢燃料质子交换膜燃料电池(pemfc)被认为是一种高效和清洁的能源转换技术，因其能量转换效率高、启动速度快、结构简单、对环境友好等优点，受到了世界各国广泛的关注。
2、根据工作温度的不同，pemfcs可分为低温(70-95℃)pemfcs(lt-pemfc)和高温(120-250℃)pemfcs(ht-pemfc)。通常，lt-pemfc在100℃以下运行，由于存在水蒸气和液态水，它们面临着严重的水管理挑战，导致流场设计复杂；同时需要高纯度的燃料(氢)，以避免催化剂co中毒；在高电流密度下，它们还会受到氧气质量输运的限制，从而导致限制因素比较大。ht-pemfc在100℃以上运行，高温状态下，水基本以水蒸气的形式存在，对极板流道设计和gdl的水管理要求较低；并且催化活性高、co耐受性好。ht-pemfc因此比lt-pemfc具有多种优势而受到更多关注。但ht-pemfc也存在一些挑战，随着催化反应的进行，电池的内部温度会逐渐升高，如果热量不能平稳的导出，会引起内部温度异常升高，引发一系列耐久、降解等问题(比如潜在的腐蚀、催化剂/载体、催化剂层和质子交换膜在高温下降解等)，造成电池性能下降。目前，如何解决高温燃料电池的热管理能力(即导热性问题)，是一个研究难点。
3、现有技术提供了一些气体扩散层的制备方法，但均存在制备工艺复杂、不易产业化，且没有考虑到高温燃料电池热管理能力的问题。
技术实现思路b>
1、本申请提供一种气体扩散层及其制备方法和应用，旨在解决现有技术高温燃料电池在高温条件下热管理能力不足的问题。
2、本申请第一方面，提供一种气体扩散层，包括依次层叠设置的碳纤维基底层、中间过渡层和微孔层；
3、所述碳纤维基底层为经疏水液处理的疏水碳纤维基底层；所述疏水液包括第一疏水剂、石墨烯纳米片分散液；
4、所述中间过渡层为含有中间过渡层涂料的疏水碳纤维基底层，所述中间过渡层涂料包括第二疏水剂、第一导电炭材料、第二导电炭材料、第一表面活性剂和第一溶剂；
5、所述微孔层包括第三疏水剂、第二导电炭材料、第二表面活性剂、石墨烯纳米片分散液和第二溶剂。
6、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述中间过渡层中涂料浸入碳纤维基底层的渗透深度为碳纤维基底层总厚度的50％-90％，优选70％-90％；优选地，所述碳纤维基底层的总厚度为140-160μm。
7、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述微孔层的厚度为15-25μm，优选15-20μm。
8、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述气体扩散层的垂直电阻≤8mω.cm2。
9、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述微孔层表面的粗糙度为0-2μm。
10、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述第一疏水剂、所述第二疏水剂和所述第三疏水剂各自独立地包括聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液和聚偏二氟乙烯乳液中的一种或多种，优选聚四氟乙烯乳液。
11、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述乳液的质量浓度为58％-62％。
12、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述第一导电炭材料包括xc-72r碳粉、乙炔黑、碳微球和卡博特炭黑bp2000中的一种或多种，优选xc-72r碳粉。
13、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述第二导电炭材料包括碳纳米管和/或纳米碳纤维，优选纳米碳纤维。
14、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述第一表面活性剂包括triton-x100、吐温60、聚乙二醇异辛基苯基醚和脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或多种，优选triton-x100。
15、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述第一溶剂包括水、异丙醇、正丙醇、乙醇和正丁醇中的一种或多种，优选异丙醇。
16、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述第二表面活性剂包括n-甲基-吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、triton-x100和吐温60中的一种或多种。
17、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述第二溶剂包括水、乙二醇和正丙醇中的一种或多种，优选正丙醇。
18、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述石墨烯纳米片分散液包括石墨、第三表面活性剂和第三溶剂。
19、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述第三表面活性剂包括n-甲基-吡咯烷酮、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和聚氧乙烯月桂醚中的一种或多种。
20、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，所述第三溶剂包括水、乙二醇和异丙醇中的一种或多种，优选水。
21、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，按照质量百分数计算，所述疏水液中第一疏水剂的含量为1％-10％，所述第三表面活性剂的含量为2％-20％，所述石墨烯纳米片的含量为20％-50％，余量为第三溶剂。
22、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，按照质量百分数计算，所述中间过渡层中所述第二疏水剂的含量为5％-20％，所述第一导电炭材料的含量为10％-30％，所述第二导电炭材料的含量为20％-40％，所述第一表面活性剂的含量为2％-15％，余量为第一溶剂。
23、根据本申请所述气体扩散层的一些实施方式，按照质量百分数计算，所述微孔层中所述第三疏水剂的含量为5％-20％，所述第二导电碳材料的含量为5％-15％，所述第二表面活性剂的含量为2％-10％，所述石墨烯纳米片分散液的含量为40％-60％，余量为第二溶剂。
24、本申请的第二方面，提供一种本申请第一方面所述气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
25、(1)将所述第二疏水剂、第一导电炭材料、第二导电炭材料、第一表面活性剂和第一溶剂混合，得到中间层浆料，将所述中间层浆料涂敷到碳纤维基底层上并进行干燥处理，得到中间过渡层；
26、(2)将所述第三疏水剂、第二导电炭材料、第二表面活性剂、石墨烯纳米片分散液和第二溶剂混合，得到微孔层浆料，将所述微孔层浆料涂敷到中间过渡层上，依次进行干燥、加热处理，得到所述气体扩散层。
27、根据本申请所述气体扩散层制备方法的一些实施方式，所述制备方法还包括制备疏水碳纤维基底层；
28、所述疏水碳纤维基底层的制备包括以下步骤：将所述碳纤维基底层与所述疏水液相接触，然后对碳纤维基底层依次进行干燥、热处理，得到疏水碳纤维基底层。
29、根据本申请所述气体扩散层制备方法的一些实施方式，所述疏水液包括第一疏水剂和石墨烯纳米片分散液。
30、根据本申请所述气体扩散层制备方法的一些实施方式，所述石墨烯纳米片分散液的制备方法包括以下步骤：将石墨、第三表面活性剂和第三溶剂混合进行球磨处理。
31、根据本申请所述气本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种气体扩散层，其特征在于，包括依次层叠设置的碳纤维基底层、中间过渡层和微孔层；
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述中间过渡层中涂料浸入碳纤维基底层的渗透深度为碳纤维基底层总厚度的50％-90％，优选70％-90％；优选地，所述碳纤维基底层的总厚度为140-160μm；
3.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述微孔层表面的粗糙度为0-2μm。
4.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一疏水剂、所述第二疏水剂和所述第三疏水剂各自独立地包括聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液和聚偏二氟乙烯乳液中的一种或多种，优选聚四氟乙烯乳液；
5.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述石墨烯纳米片分散液包括石墨、第三表面活性剂和第三溶剂；
6.根据权利要求5所述的气体扩散层，其特征在于，按照质量百分数计算，所述疏水液中第一疏水剂的含量为1％-10％，所述第三表面活性剂的含量为2％-20％，所述石墨烯纳米片的含量为20％-50％，余量为第三溶剂；
7.权利要求1-6任一项所述气
8.根据权利要求7所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括制备疏水碳纤维基底层；
9.根据权利要求7所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述干燥的温度为60-150℃，所述干燥的时间为5-10min；
10.权利要求1-6任一项所述气体扩散层或权利要求7-9任一项所述制备方法得到的气体扩散层在质子交换膜燃料电池中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种气体扩散层，其特征在于，包括依次层叠设置的碳纤维基底层、中间过渡层和微孔层；
2.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述中间过渡层中涂料浸入碳纤维基底层的渗透深度为碳纤维基底层总厚度的50％-90％，优选70％-90％；优选地，所述碳纤维基底层的总厚度为140-160μm；
3.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述微孔层表面的粗糙度为0-2μm。
4.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述第一疏水剂、所述第二疏水剂和所述第三疏水剂各自独立地包括聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液和聚偏二氟乙烯乳液中的一种或多种，优选聚四氟乙烯乳液；
5.根据权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述石墨烯纳米片分散液包括石墨、第三表面活性剂和...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋孟刚，王志昌，刘汉东，张朔，黄慧慧，何星，杨科，
申请(专利权)人：国家电投集团氢能科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：
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