CN107293765A - 一种燃料电池气体扩散层结构 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种燃料电池气体扩散层结构，该气体扩散层结构厚度为4mm，包括一基底层和一微孔层，基底层的一侧具有气体流道，另一侧与微孔层相连，基底层的材质为金属纤维毡，微孔层上具有铜‑石墨烯复相膜，该铜‑石墨烯复相膜的主要成分为铜颗粒、石墨烯、纳晶纤维素、聚苯胺、碳纳米管、TiO2纳米粒子。

Description

一种燃料电池气体扩散层结构
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池气体扩散层结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，其核心部件膜电极三合一通常由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜通过热压工艺制备而成。
气体扩散膜由导电的多孔材料组成，起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多重作用，实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配，是影响电极性能的关键部件之一，理想的气体扩散层应满足3个条件：良好的排水性、良好的透气性和良好的导电性。
发明内容
本发明旨在提供一种燃料电池气体扩散层结构，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种燃料电池气体扩散层结构，该气体扩散层结构厚度为4mm，包括一基底层和一微孔层，基底层的一侧具有气体流道，另一侧与微孔层相连，基底层的材质为金属纤维毡，微孔层上具有铜-石墨烯复相膜，该铜-石墨烯复相膜的主要成分为铜颗粒、石墨烯、纳晶纤维素、聚苯胺、碳纳米管、TiO2纳米粒子。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明在气体扩散层结构的微孔层上设有铜-石墨烯复相膜，石墨烯作为所有碳材料的最基本结构单元，具有真正的单原子层厚度和严格的二维结构，具有很高的机械强度、弹性、导热性、导电性，石墨烯是一种物化性能十分优异的新型材料，该铜-石墨烯复相膜具有机械强度高、韧性好、排水性、透气性、接触电阻低的优点。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明气体扩散层结构的结构示意图；
其中，1-基底层，2-微孔层，11-气体流道。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本申请的实施例涉及一种燃料电池气体扩散层结构，该气体扩散层结构厚度为4mm，包括一基底层1和一厚度为0.2mm的微孔层2，基底层1的一侧具有深度为2.5mm的气体流道11，另一侧与微孔层2相连，基底层1的材质为金属纤维毡，微孔层2上具有铜-石墨烯复相膜，该铜-石墨烯复相膜的主要成分为铜颗粒、石墨烯、纳晶纤维素、聚苯胺、碳纳米管、TiO2纳米粒子。
本申请技术方案中，在气体扩散层结构的微孔层2上设有铜-石墨烯复相膜，石墨烯作为所有碳材料的最基本结构单元，具有真正的单原子层厚度和严格的二维结构，具有很高的机械强度、弹性、导热性、导电性，石墨烯是一种物化性能十分优异的新型材料，该铜-石墨烯复相膜具有机械强度高、韧性好、排水性、透气性、接触电阻低的优点。
就石墨烯或者还原的氧化石墨烯(rGO)而言，由于石墨烯片层间的强范德华力，使其在溶液中非常容易发生团聚，不利于其整体性能的发挥，基于此，本申请在石墨烯溶液中添加了纳晶纤维素和聚苯胺，纳晶纤维素和聚苯胺与石墨烯之间形成的氢键以及静电力相互作用，并且，一部分纳晶纤维素和聚苯胺有可能穿插在石墨烯片层之间，使得纳晶纤维素、聚苯胺、石墨烯能在溶液中良好分散。
此外，上述的碳纳米管、TiO2纳米粒子作为纳米填料，可以有效提高所述铜-石墨烯复相膜的强度、导电性、疏水性等。
优选地，所述铜-石墨烯复相膜中，铜颗粒粒径为0.05mm，石墨烯片的厚度为0.05mm。
本申请的技术方案中，该铜-石墨烯复相膜中包含碳纳米管，碳纳米管的质量百分比为2～5％。
碳纳米管是一种重要的一维纳米材料，具有多方面的优异性能，可看成是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体，其耐强酸、强碱，热稳定性好，其轴向导电性良好，在场致电子发射、储氢等方面具有广泛应用；本申请技术方案中，在铜-石墨烯复相膜中添加碳纳米管，使得铜-石墨烯复相膜表现优异的导电性、强度、韧性。
本申请的技术方案中，该铜-石墨烯复相膜中包含TiO2纳米粒子，TiO2纳米粒子的质量百分比为2～5％，TiO2纳米粒子的粒径为20nm。
TiO2是一种重要的半导体材料，纳米TiO2具有许多独特的性质，通常用于抗腐蚀材料、光催化材料等。作为光催化剂材料，TiO2具有光降解有机物、催化杀菌等作用，纳米TiO2在一定波长的光照下能使有机物发生降解；本申请技术方案中，在铜-石墨烯复相膜中添加TiO2纳米粒子，该TiO2纳米粒子在其中均匀分布，使得铜-石墨烯复相膜表现优异的抗菌性。
本申请所述气体扩散层结构的制备方法如下：
步骤1，切削制备金属纤维：将金属纤维填充至40.00mm×30.00mm×4.35mm的矩形模具中，加压后采用低温固相烧结法制备形成金属纤维毡；
上述金属纤维毡的直径为0.03mm，长度为10mm；
步骤2，制备基底层：
将上述金属纤维毡浸入熔融态聚四氟乙烯后取出冷却至室温形成金属纤维毡-聚四氟乙烯复合材料，然后在聚四氟乙烯的保护下于其中一侧铣削出气体流道，然后在真空高温烧结下部分去除聚四氟乙烯的同时完成憎水性处理，获得一侧具有气体流道的基底层；
步骤3，制备微孔层：
a)首先，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，然后将制备好的氧化石墨烯(GO)水相分散液、纳晶纤维素水相分散液分别稀释至1mg/mg、3mg/ml，将其分别超声分散1h，各取50ml加入到烧瓶中混合，然后加入0.45g的聚苯胺，超声分散3h，再加入0.8ml的水合肼，90℃下磁力搅拌反应5h后，旋蒸至合适浓度，烘干，即得还原氧化石墨烯(rGO)；
b)将N,N-二甲基甲酰胺和丙酮按照体积比为6：7混合作为溶剂，然后加入上述中辅助还原的氧化石墨烯粉末，得到浓度为0.3wt％的石墨烯复合分散液然后加入碳纳米管、TiO2纳米粒子，超声分散3h；
c)将基底层的另一侧浸入温度为50℃的镀铜溶液中进行表面化学镀铜30min，接着于乙醇中超声清洗，然后浸入上述石墨烯复合分散液中，沉淀石墨烯片40min，获得铜-石墨烯复相膜；
d)重复c步骤，直至获得指定厚度的铜-石墨烯复相膜，制得所述微孔层。
实施例1
本申请所述气体扩散层结构的制备方法如下：
步骤1，切削制备金属纤维：将金属纤维填充至40.00mm×30.00mm×4.35mm的矩形模具中，加压后采用低温固相烧结法制备形成金属纤维毡；
上述金属纤维毡的直径为0.03mm，长度为10mm；
步骤2，制备基底层：
将上述金属纤维毡浸入熔融态聚四氟乙烯后取出冷却至室温形成金属纤维毡-聚四氟乙烯复合材料，然后在聚四氟乙烯的保护下于其中一侧铣削出气体流道，然后在真空高温烧结下部分去除聚四氟乙烯的同时完成憎水性处理，获得一侧具有气体流道的基底层；
步骤3，制备微孔层：
a)首先，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，然后将制备好的氧化石墨烯(GO)水相分散液、纳晶纤维素水相分散液分别稀释至1mg/mg、3mg/ml，将其分别超声分散1h，各取50ml加入到烧瓶中混合，然后加入0.45g的聚苯胺，超声分散3h，再加入0.8ml的水合肼，90℃下磁力搅拌反应5h后，旋蒸至合适浓度，烘干，即得还原氧化石墨烯(rGO)；
b)将N,N-二甲基甲酰胺和丙酮按照体积比为6：5混合作为溶剂，然后加入上述中辅助还原的氧化石墨烯粉末，得到浓度为0.3wt％的石墨烯复合分散液，然后再加入一定量的碳纳米管、TiO2纳米粒子，超声分散3h；
c)将基底层的另一侧浸入温度为50℃的镀铜溶液中进行表面化学镀铜30min，接着于乙醇中超声清洗，然后浸入上述石墨烯复合分散液中，沉淀石墨烯片40min，获得铜-石墨烯复相膜；
d)重复c步骤，直至获得指定厚度的铜-石墨烯复相膜，制得所述微孔层。
本实施例的该铜-石墨烯复相膜中，TiO2纳米粒子的质量百分比为2％，碳纳米管的质量百分比为2％。
实施例2
本申请所述气体扩散层结构的制备方法如下：
步骤1，切削制备金属纤维：将金属纤维填充至40.00mm×30.00mm×4.35mm的矩形模具中，加压后采用低温固相烧结法制备形成金属纤维毡；
上述金属纤维毡的直径为0.03mm，长度为10mm；
步骤2，制备基底层：
将上述金属纤维毡浸入熔融态聚四氟乙烯后取出冷却至室温形成金属纤维毡-聚四氟乙烯复合材料，然后在聚四氟乙烯的保护下于其中一侧铣削出气体流道，然后在真空高温烧结下部分去除聚四氟乙烯的同时完成憎水性处理，获得一侧具有气体流道的基底层；
步骤3，制备微孔层：
a)首先，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，然后将制备好的氧化石墨烯(GO)水相分散液、纳晶纤维素水相分散液分别稀释至1mg/mg、3mg/ml，将其分别超声分散1h，各取50ml加入到烧瓶中混合，然后加入0.45g的聚苯胺，超声分散3h，再加入0.8ml的水合肼，90℃下磁力搅拌反应5h后，旋蒸至合适浓度，烘干，即得还原氧化石墨烯(rGO)；
b)将N,N-二甲基甲酰胺和丙酮按照体积比为6：5混合作为溶剂，然后加入上述中辅助还原的氧化石墨烯粉末，得到浓度为0.3wt％的石墨烯复合分散液，然后再加入一定量的碳纳米管、TiO2纳米粒子，超声分散3h；
c)将基底层的另一侧浸入温度为50℃的镀铜溶液中进行表面化学镀铜30min，接着于乙醇中超声清洗，然后浸入上述石墨烯复合分散液中，沉淀石墨烯片40min，获得铜-石墨烯复相膜；
d)重复c步骤，直至获得指定厚度的铜-石墨烯复相膜，制得所述微孔层。
本实施例的该铜-石墨烯复相膜中，TiO2纳米粒子的质量百分比为3％，碳纳米管的质量百分比为3％。
实施例3
本申请所述气体扩散层结构的制备方法如下：
步骤1，切削制备金属纤维：将金属纤维填充至40.00mm×30.00mm×4.35mm的矩形模具中，加压后采用低温固相烧结法制备形成金属纤维毡；
上述金属纤维毡的直径为0.03mm，长度为10mm；
步骤2，制备基底层：
将上述金属纤维毡浸入熔融态聚四氟乙烯后取出冷却至室温形成金属纤维毡-聚四氟乙烯复合材料，然后在聚四氟乙烯的保护下于其中一侧铣削出气体流道，然后在真空高温烧结下部分去除聚四氟乙烯的同时完成憎水性处理，获得一侧具有气体流道的基底层；
步骤3，制备微孔层：
a)首先，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，然后将制备好的氧化石墨烯(GO)水相分散液、纳晶纤维素水相分散液分别稀释至1mg/mg、3mg/ml，将其分别超声分散1h，各取50ml加入到烧瓶中混合，然后加入0.45g的聚苯胺，超声分散3h，再加入0.8ml的水合肼，90℃下磁力搅拌反应5h后，旋蒸至合适浓度，烘干，即得还原氧化石墨烯(rGO)；
b)将N,N-二甲基甲酰胺和丙酮按照体积比为6：5混合作为溶剂，然后加入上述中辅助还原的氧化石墨烯粉末，得到浓度为0.3wt％的石墨烯复合分散液，然后再加入一定量的碳纳米管、TiO2纳米粒子，超声分散3h；
c)将基底层的另一侧浸入温度为50℃的镀铜溶液中进行表面化学镀铜30min，接着于乙醇中超声清洗，然后浸入上述石墨烯复合分散液中，沉淀石墨烯片40min，获得铜-石墨烯复相膜；
d)重复c步骤，直至获得指定厚度的铜-石墨烯复相膜，制得所述微孔层。
本实施例的该铜-石墨烯复相膜中，TiO2纳米粒子的质量百分比为4％，碳纳米管的质量百分比为4％。
实施例4
本申请所述气体扩散层结构的制备方法如下：
步骤1，切削制备金属纤维：将金属纤维填充至40.00mm×30.00mm×4.35mm的矩形模具中，加压后采用低温固相烧结法制备形成金属纤维毡；
上述金属纤维毡的直径为0.03mm，长度为10mm；
步骤2，制备基底层：
将上述金属纤维毡浸入熔融态聚四氟乙烯后取出冷却至室温形成金属纤维毡-聚四氟乙烯复合材料，然后在聚四氟乙烯的保护下于其中一侧铣削出气体流道，然后在真空高温烧结下部分去除聚四氟乙烯的同时完成憎水性处理，获得一侧具有气体流道的基底层；
步骤3，制备微孔层：
a)首先，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，然后将制备好的氧化石墨烯(GO)水相分散液、纳晶纤维素水相分散液分别稀释至1mg/mg、3mg/ml，将其分别超声分散1h，各取50ml加入到烧瓶中混合，然后加入0.45g的聚苯胺，超声分散3h，再加入0.8ml的水合肼，90℃下磁力搅拌反应5h后，旋蒸至合适浓度，烘干，即得还原氧化石墨烯(rGO)；
b)将N,N-二甲基甲酰胺和丙酮按照体积比为6：5混合作为溶剂，然后加入上述中辅助还原的氧化石墨烯粉末，得到浓度为0.3wt％的石墨烯复合分散液，然后再加入一定量的碳纳米管、TiO2纳米粒子，超声分散3h；
c)将基底层的另一侧浸入温度为50℃的镀铜溶液中进行表面化学镀铜30min，接着于乙醇中超声清洗，然后浸入上述石墨烯复合分散液中，沉淀石墨烯片40min，获得铜-石墨烯复相膜；
d)重复c步骤，直至获得指定厚度的铜-石墨烯复相膜，制得所述微孔层。
本实施例的该铜-石墨烯复相膜中，TiO2纳米粒子的质量百分比为5％，碳纳米管的质量百分比为5％。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，该气体扩散层结构包括一基底层和一微孔层，基底层的一侧具有气体流道，另一侧与微孔层相连，基底层的材质为金属纤维毡，微孔层上具有铜-石墨烯复相膜，该铜-石墨烯复相膜的成分为铜颗粒、石墨烯、纳晶纤维素、聚苯胺、碳纳米管、TiO2纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，该气体扩散层结构厚度为4mm，该微孔层的厚度为0.2mm。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，该气体流道的深度为2.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，该铜-石墨烯复相膜中，碳纳米管的质量百分比为2～5％。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，该铜-石墨烯复相膜中，TiO2纳米粒子的质量百分比为2～5％，TiO2纳米粒子的粒径为20nm。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，该气体扩散层结构的制备步骤如下：
步骤1，切削制备金属纤维：将金属纤维填充至40.00mm×30.00mm×4.35mm的矩形模具中，加压后采用低温固相烧结法制备形成金属纤维毡；
步骤2，制备基底层：
将上述金属纤维毡浸入熔融态聚四氟乙烯后取出冷却至室温形成金属纤维毡-聚四氟乙烯复合材料，然后在聚四氟乙烯的保护下于其中一侧铣削出气体流道，然后在真空高温烧结下部分去除聚四氟乙烯的同时完成憎水性处理，获得一侧具有气体流道的基底层；
步骤3，制备微孔层：
a)首先，采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO)，然后将制备好的氧化石墨烯(GO)水相分散液、纳晶纤维素水相分散液分别稀释至1mg/mg、3mg/ml，将其分别超声分散1h，各取50ml加入到烧瓶中混合，然后加入0.45g的聚苯胺，超声分散3h，再加入0.8ml的水合肼，90℃下磁力搅拌反应5h后，旋蒸至合适浓度，烘干，即得还原氧化石墨烯(rGO)；
b)将N,N-二甲基甲酰胺和丙酮按照体积比为6：7混合作为溶剂，然后加入上述中辅助还原的氧化石墨烯粉末，得到浓度为0.3wt％的石墨烯复合分散液然后加入碳纳米管、TiO2纳米粒子，超声分散3h；
c)将基底层的另一侧浸入温度为50℃的镀铜溶液中进行表面化学镀铜30min，接着于乙醇中超声清洗，然后浸入上述石墨烯复合分散液中，沉淀石墨烯片40min，获得铜-石墨烯复相膜；
d)重复c步骤，直至获得指定厚度的铜-石墨烯复相膜，制得所述微孔层。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，上述金属纤维的直径为0.03mm，长度为10mm。
8.根据权利要求1或6所述的一种燃料电池气体扩散层结构，其特征在于，所述铜-石墨烯复相膜中，铜颗粒粒径为0.05mm，石墨烯片的厚度为0.05mm。
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