本发明涉及燃料电池关键材料
技术领域：
，具体为一种氢燃料电池气体扩散层的制备方法。
背景技术：
：随着汽车保有量剧增，传统汽油汽车造成的环境污染日益严重，因此，寻找更加清洁高效的能源，发展新能源汽车就越来越成为目前最重要的任务之一。在最新发布的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》中，燃料电池汽车成为整车技术创新链的“三纵”之一，也印证了发展燃料电池的重要性。燃料电池的核心部件为膜电极，其中的气体扩散层(gdl)又承担着支撑催化层，传导气体和转移电子收集电流的作用，同时它也可以排出氢氧反应生成的水，是膜电极最关键的部件之一。目前最常见的气体扩散层主要由网格结构材料(碳纤维纸，碳布或炭黑纸)制成的基底和微孔层构成，但是由于氧气和氢气在水溶液中溶解度低，扩散速率有限，液态水的存在就容易阻断气体的有效传输，当水溶液在扩散层中形成水膜时，容易造成水淹现象，从而大幅影响气体传输，降低燃料电池效率。解决这一问题，就要保证碳纤维基底具有良好的孔隙率和疏水结构，可以在基底上涂覆一层疏水微孔层浆料，保证其排水性能。中国发明专利申请号201810835192.6发明了一种燃料电池气体扩散层及其制备方法，其微孔层浆料是通过机械搅拌，调节浆液混合物至合适粘度；将浆液混合物涂布到导电网状结构表面；将样品进行热处理以去除添加剂，形成碳和粘结剂的均匀粘合混合物。但其负载的微孔层和碳纤维基底结合不紧密，微孔层载量难以精确控制且分布不均匀，制备出的气体扩散层质量不够稳定。中国发明专利申请号201911416425.x公布了一种气体扩散层制备方法：将导电材料、粘接剂、碳纤维和造孔剂混合均匀得到所述导电浆料；将所述多孔碳材料的下表面通过吸附固定于基台上，将导电浆料均匀涂覆于所述多孔碳材料的上表面；将涂覆导电浆料的多孔碳材料进行烧结处理形成所述微孔层和混合基底层。但经过涂覆烧结后的微孔层容易出现裂纹，导致气体通道不稳定，且涂覆浆料厚度和载量难以精确控制。因此，使微孔层浆料和碳纤维基底紧密结合，精确控制微孔层浆料在基底上的载量和厚度，保证分布均匀且不出现裂纹等缺陷，确保气体扩散层具有良好的稳定性和优异的气体透过性能具有良好的应用前景，基于此，提出本专利申请。技术实现要素：本发明的主要目的提供一种氢燃料电池气体扩散层的制备方法，可以有效的解决
背景技术：
中的问题。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种氢燃料电池气体扩散层的制备方法，包括步骤：步骤(1)：称取一定质量浓度的短切碳纤维，添加到分散液中进行高速剪切分散，然后加入一定量的粘结液继续进行高速剪切分散，最后通过搅拌、研磨或球磨制得高分散的碳纤维浆料；步骤(2)：称取一定比例的导电炭黑、聚四氟乙烯(ptfe)乳液、水以及异丙醇进行充分搅拌，然后超声分散混合溶液1-3小时，制得微孔层浆料a；步骤(3)：称取一定比例的乙炔黑、聚四氟乙烯(ptfe)乳液、水以及异丙醇进行充分搅拌，然后超声分散混合溶液1-3小时，制得微孔层浆料b；步骤(4)：将通过步骤(1)得到的碳纤维浆料均匀地涂布在疏水膜上并烘干处理，得到碳纤维层。步骤(5)：将步骤(2)中得到的微孔层浆料a采用喷涂的方式均匀喷涂在步骤(4)制得的碳纤维层表面，在碳纤维层表面得到一层微孔层。步骤(6)：在步骤(5)制得的微孔层上均匀涂布一定厚度的碳纤维浆料并烘干，制得碳纤维层-微孔层-碳纤维层的复合结构层。步骤(7)：在步骤(6)得到的复合结构层上再均匀喷涂微孔层浆料b，制得碳纤维层-微孔层-碳纤维层-微孔层的复合结构层，然后在微孔层表面覆盖疏水膜。步骤(8)：将通过步骤(7)制得的复合结构层用热压机进行热压，自然冷却后去掉上下表面的疏水膜，转移到煅烧炉中进行煅烧。所述步骤(1)中的短切碳纤维为基聚丙烯腈短切碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶纤维基碳纤维以及木质素基碳纤维中的任一种或多种。所述步骤(1)中分散液可以为阴离子聚丙烯酰胺溶液、聚山梨酯80溶液、聚丙烯酰胺溶液以及聚氧化乙烯溶液中的一种或多种混合溶液。所述步骤(1)中粘结液可以为酚醛树脂、呋喃树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、糠醛树脂以及环氧树脂中的一种或者多种。所述步骤(4)中疏水膜为聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、氟化乙烯丙烯共聚物中的一种，烘干温度为60～90℃。所述步骤(2)中聚四氟乙烯(ptfe)乳液的浓度为10％-20％，导电炭黑、聚四氟乙烯(ptfe)乳液、水、异丙醇的质量比为5-7：50-80：700：1400。所述步骤(3)中聚四氟乙烯(ptfe)乳液的浓度为10％-20％，乙炔黑、聚四氟乙烯(ptfe)乳液、水、异丙醇的质量比为5-7：50-80：700：1400。本发明的有益效果：本发明通过转印手段制备具有碳纤维层和微孔层组成的一体化梯度结构的气体扩散层，提高了微孔层和碳纤维基底间的结合能力，提高了导电和气体传输能力，使得微孔层浆料和碳纤维基底紧密结合，保证分布均匀且不出现裂纹等缺陷，结构稳定，排水性能优异，且易于工业化生产。附图说明图1a为本发明实施例1中制备的气体扩散层中碳纤维层扫描电镜图片；图1b为本发明实施例1中制备的气体扩散层中微孔层扫描电镜图片；图1c为本发明实施例1中制备的气体扩散层横截面扫描电镜图片；图2a是实施例2制备的气体扩散层中碳纤维层扫描电镜图片；图2b是实施例2制备的气体扩散层中微孔层扫描电镜图片；图2c是实施例2制备的气体扩散层横截面扫描电镜图片；图3是本发明实施例1与实施例2中采用差值法(gb/t20042.6-2011)测试得到制备气体扩散层垂直电阻与压力之间的关系图；图4是本发明实施例1与实施例2中基于制备的气体扩散层作为阴极气体扩散层制作的膜电极的电流-电压极化曲线；具体实施方式下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以方便相关人员更好的理解该技术方案。实施例一：一次工艺制备3×3cm一体化梯度结构气体扩散层：步骤a、称取一定质量浓度的基聚丙烯腈短切碳纤维，添加到阴离子聚丙烯酰胺分散液中进行高速剪切分散30min，再加入一定量的pva粘结液，继续进行高速剪切分散30min，在通过搅拌、研磨或球磨直至形成高分散的粘稠碳纤维浆料a；步骤b、称取质量比为7：60：700:1400的导电炭黑，浓度为15％聚四氟乙烯(ptfe)乳液，水，异丙醇，先充分搅拌，再超声分散1～3小时，得到微孔层浆料b；步骤c、称取质量比为5：60：700:1400的乙炔黑，浓度为15％聚四氟乙烯(ptfe)乳液，水，异丙醇，先充分搅拌，再超声分散1～3小时，得到微孔层浆料c；步骤d、将步骤a得到的浆料喷涂在疏水膜上并烘干处理，得到碳纤维层。步骤e、将步骤b中得到的浆料b采用喷涂的方式均匀涂在碳纤维层表面，在碳纤维层表面得到一层微孔层。步骤f、在微孔层上再均匀涂布一定厚度的浆料a并烘干，得到碳纤维层。步骤g、在步骤e得到的碳纤维层上再均匀喷涂浆料c，得到新一层的微孔层，并在微孔层表面再盖上疏水膜。步骤h、在30℃，5mpa条件下进行热压，自然冷却后去掉两面的疏水膜，转移到350℃煅烧炉中煅烧35min。实施例二：传统两次工艺制作气体扩散层：步骤a、按质量百分比称取短切碳纤维70％，纳米碳纤维15％；合成纤维10％；分散剂5％，打浆分散步骤b、用传统湿法造纸制得碳纤维纸作为基底。步骤c、按质量百分比称取石墨烯60％，聚四氟乙烯30％；其他助剂10％。配成分散均匀的导电憎水涂料。步骤d、将导电憎水涂料涂覆在碳纸上下两个表面。步骤f、经干燥处理制作成多层结构的气体扩散层碳纸。通过实施例1和实施例2的对比可以得出：本发明制备出的气体扩散层结合紧密，孔隙率和电阻率优良可控(见表1)，从而保证了气体扩散层较好的耐久性，以及优良稳定的排水性能。实施例1实施例2扩散层厚度0.23mm0.25mm孔隙率78％73％平行电阻率72mωcm80mωcm表1从根据实施例1与实施例2中气体扩散层组装的膜电极的电流-电压极化曲线可看出，采用本专利的制备工艺制备的气体扩散层(实施例1)展现出更好的欧姆极化区，证明了我们专利中的气体扩散层制备工艺对最终膜电极性能具有极大的提升作用。说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种氢燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括步骤：
步骤(1)：称取一定质量浓度的短切碳纤维，添加到分散液中进行高速剪切分散，然后加入一定量的粘结液继续进行高速剪切分散，最后通过搅拌、研磨或球磨制得高分散的碳纤维浆料；
步骤(2)：称取一定比例的导电炭黑、聚四氟乙烯(ptfe)乳液、水以及异丙醇进行充分搅拌，然后超声分散混合溶液1-3小时，制得微孔层浆料a；
步骤(3)：称取一定比例的乙炔黑、聚四氟乙烯(ptfe)乳液、水以及异丙醇进行充分搅拌，然后超声分散混合溶液1-3小时，制得微孔层浆料b；
步骤(4)：将通过步骤(1)得到的碳纤维浆料均匀地涂布在疏水膜上并烘干处理，得到碳纤维层。
步骤(5)：将步骤(2)中得到的微孔层浆料a采用喷涂的方式均匀喷涂在步骤(4)制得的碳纤维层表面，在碳纤维层表面得到一层微孔层。
步骤(6)：在步骤(5)制得的微孔层上均匀涂布一定厚度的碳纤维浆料并烘干，制得碳纤维层-微孔层-碳纤维层的复合结构层。
步骤(7)：在步骤(6)得到的复合结构层上再均匀喷涂微孔层浆料b，制得碳纤维层-微孔层-碳纤维层-微孔层的复合结构层，然后在微孔层表面覆盖疏水膜。
步骤(8)：将通过步骤(7)制得的复合结构层用热压机进行热压，自然冷却后去掉上下表面的疏水膜，转移到煅烧炉中进行煅烧。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的短切碳纤维为基聚丙烯腈短切碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶纤维基碳纤维以及木质素基碳纤维中的任一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中分散液可以为阴离子聚丙烯酰胺溶液、聚山梨酯80溶液、聚丙烯酰胺溶液以及聚氧化乙烯溶液中的一种或多种混合溶液。
4.根据权利要求3所述的一种氢燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中粘结液可以为酚醛树脂、呋喃树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、糠醛树脂以及环氧树脂中的一种或者多种。
5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中疏水膜为聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、氟化乙烯丙烯共聚物中的一种，烘干温度为60～90℃。
6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中聚四氟乙烯(ptfe)乳液的浓度为10％-20％，导电炭黑、聚四氟乙烯(ptfe)乳液、水、异丙醇的质量比为5-7：50-80：700：1400。
7.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中聚四氟乙烯(ptfe)乳液的浓度为10％-20％，乙炔黑、聚四氟乙烯(ptfe)乳液、水、异丙醇的质量比为5-7：50-80：700：1400。
技术总结本发明提供一种氢燃料电池气体扩散层的制备方法，包括步骤：称取一定质量浓度的短切碳纤维，添加到分散液中进行高速剪切分散，然后加入一定量的粘结液继续进行高速剪切分散，最后通过搅拌、研磨或球磨制得高分散的碳纤维浆料，称取一定比例的导电炭黑、聚四氟乙烯(PTFE)乳液、水以及异丙醇进行充分搅拌，然后超声分散混合溶液1‑3小时，制得微孔层浆料A，称取一定比例的乙炔黑、聚四氟乙烯(PTFE)乳液、水以及异丙醇进行充分搅拌，然后超声分散混合溶液1‑3小时，制得微孔层浆料B，提高了微孔层和碳纤维基底间的结合能力，使得微孔层浆料和碳纤维基底紧密结合，保证分布均匀且不出现裂纹等缺陷，结构稳定，排水性能优异，且易于工业化生产。
技术研发人员：余子涵;王新磊
受保护的技术使用者：安徽枡水新能源科技有限公司
技术研发日：2020.12.23
技术公布日：2021.03.12
