CN111129507B - 一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用，该气体扩散层经疏水处理，之后在所述气体扩散层上赋予形状可控的亲水区域。所述亲水区域是由亲水小分子在所述气体扩散层中自组装而形成的亲水膜结构，其膜结构厚度取决于该小分子直径大小，其亲水能力取决于该小分子所含的亲水基团的强弱。所述亲水区域穿过整个气体扩散层厚度的至少一部分。这种气体扩散层内亲水疏水区域的协调结构，能够根据不同工况需求进行调整，且这种调控能够同时满足平面和纵深的结构设计。

Description

一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置，具有能量密度高，利用率高、清洁安静等优点，是一种高效的能量转化装置。其中质子交换膜燃料电池由质子交换膜、阴阳极催化层及气体扩散层构成，气体扩散层又可以进一步分为支撑层与微孔层。氢气在阳极催化剂的作用下转化为质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路到达阴极。氧气进入阴极扩散层后，在阴极催化剂的作用下得到电子，与质子反应生成水。
由于质子导电率与水含量直接相关，因此燃料电池的质子交换膜在工作状态必须含有足够的水分。但如果燃料电池中的水太多则会导致水淹，导致气体无法进入催化层，阻碍电池反应的继续进行。因此必须对燃料电池进行有效的水管理，从而使燃料电池能够适应宽幅湿度的工况条件。
针对上述问题，中国专利201280074792.6提出了一种膜电极组件的制备方案。其方案中微孔层油墨包括悬浮介质、具有小于每克碳0.1mol浓度羧基的第一炭黑、疏水性添加剂和亲水性添加剂。亲水性添加剂选自氧化锡、二氧化钛、以及第二炭黑，第二炭黑具有比第一炭黑更大的羧基浓度。并发现在高温工况，亲水性添加剂增强了催化剂层离聚物的水合程度，从而改进了传导性和通过离聚物薄膜的氧传输。在低温工况、亲水性添加剂帮助快速地从催化剂孔隙中吸出水分，从而改善催化层中的氧气传输速率。该方案利用亲水性的氧化物作为添加剂确实能够达到水平衡的效果，然而氧化物的导电性较差，这将导致燃料电池整体的阻抗增加，造成电池性能的下降。同时在经过长时间的工况运行后，氧化物容易发生移位或脱落，造成电池的耐久性急剧下降。
中国专利200610167389.4提出了一种燃料电池膜电极,该膜电极依次包括阳极气体扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极气体扩散层，所述气体扩散层包括导电载体和负载在所述导电载体上的导电剂和粘合剂，其中所述阳极气体扩散层中的粘合剂为亲水性粘合剂，具体为磺酸树脂或氟化磺酸树脂。与上一个专利相似，该专利以高分子树脂作为亲水物质同样会造成阻抗增加、耐久性下降的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法和应用，本发明气体扩散层含亲水疏水协调结构，气体扩散层的疏水处理与亲水结构设计彼此独立，避免在气体扩散层的支撑层和微孔层浆料制备过程中，由于同时加入疏水剂和亲水剂而对浆料稳定性造成的冲击。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种燃料电池用气体扩散层，该气体扩散层经疏水处理，之后在所述气体扩散层上赋予形状可控的亲水区域，所述亲水区域穿过整个气体扩散层厚度的至少一部分。
所述亲水区域是由亲水小分子在所述气体扩散层中自组装而形成的亲水膜结构，亲水膜结构厚度取决于该小分子直径大小，其亲水能力取决于该小分子所含的亲水基团的强弱。这种气体扩散层内亲水疏水区域的协调结构，能够根据不同工况需求进行调整，且这种调控能够同时满足平面和纵深的结构设计。
优选地，所述疏水处理是利用疏水剂浸泡所述气体扩散层的支撑层、在所述气体扩散层的微孔层中添加疏水剂，或缩小微孔层的孔径中的一种或多种。
优选地，所述疏水剂选自聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚偏氟乙烯乳液或聚六氟丙烯乳液中的一种或多种。
优选地，所述亲水小分子选自异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯、γ-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷、异丙基二油酸酰氧基(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
优选地，所述亲水小分子在气体扩散层中的碳粉表面实现自组装，并在所述气体扩散层内部形成超薄亲水膜结构。
优选地，所述亲水小分子通过前驱体溶液涂布在所述气体扩散层上。
优选地，涂布形式包括手工涂刷、机械程序涂刷或丝网印刷中的一种或多种。
一种燃料电池用气体扩散层的制备方法，对所述气体扩散层进行疏水处理，在经过疏水处理的气体扩散层上涂布亲水区域，亲水区域涂布采用以下步骤：
(1)以去离子水和乙醇的混合液作为溶剂，其中去离子水占混合液质量的5％～50％，并将混合液的pH值调整至2～6；
(2)将亲水小分子投入上述混合液中，搅拌获得亲水区域的前驱体溶液，所述亲水小分子的质量占比为0.5％～2％；
(3)在气体扩散层上涂覆亲水区域，在100～130℃的温度下烘干，即获得所述燃料电池用气体扩散层。
对所述气体扩散层进行疏水处理，具体步骤为：
对于只有支撑层的气体扩散层疏水处理是以聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚偏氟乙烯乳液或聚六氟丙烯乳液中的一种或多种作为疏水剂，浸泡气体扩散层的支撑层；
对于既有支撑层又有微孔层的气体扩散层疏水处理，还可以导电炭黑与疏水剂比例为4-5：1，制备气体扩散层的微孔层。
所述的燃料电池用气体扩散层用于制备燃料电池。
本发明使用功能小分子在气体扩散层中的碳粉表面实现自组装，从而在气体扩散层内部形成超薄的亲水膜结构。具体的是优选具备特殊结构的亲水小分子，该小分子能够与无机物表面形成稳定的价键，达到较强的链接性和耐久性。同时该小分子彼此之间能够在一定的条件下形成化学键，从而在无机物表面形成膜结构。此外该小分子结构中还含有亲水性的基团，从而使膜结构获得亲水性。亲水区域的实际亲水能力，由亲水基团对水的亲和作用大小决定。由于亲水膜只存在于分子尺度，因此并不会对气体扩散层原始的结构造成冲击，从而保留了气体扩散层原有的导电性与透气性，亲水膜结构示意图如图9所示。
由于亲水膜的制备是气体扩散层经过疏水处理之后进行的，所以亲水膜的装载能够灵活地根据燃料电池中不同气体流道设计和实际运行工况，进行快速灵活的可控调整。具体的亲水区域设计方案，能够借助仿真手段进行预判断，然后进行涂装。通过调整涂装过程中小分子的用量，能够实现亲属区域深度的调控，从而实现了亲水区域在空间结构上的控制。
与现有技术相比，本发明所具有的特点和有益效果是：
(1)本发明气体扩散层的疏水处理与亲水结构设计彼此独立，避免了在气体扩散层的支撑层和微孔层浆料制备过程中，由于同时加入疏水剂和亲水剂而对浆料稳定性造成的冲击，极大减少了优化浆液所需的工作量，避免了疏水剂与亲水剂潜在的团聚风险。
(2)本发明所述亲水区域，是由小分子在气体扩散层中自组装而形成的亲水膜结构，避免传统氧化物、有机物等材料添加后，造成的电阻增加、耐久性下降等缺陷。
(3)由于亲水膜的制备是气体扩散层经过疏水处理之后进行的，所以这种亲水疏水区域的协调结构，能够根据燃料电池中不同气体流道设计和实际运行工况，进行快速灵活的可控调整，且这种调控能够同时满足平面和纵深的结构设计。
(4)在低增湿工况下，亲水区域能够主动的吸收燃料电池生成的水并用于润湿质子交换膜，避免质子交换膜由于脱水导致的质子传导率下降；在高增湿工况下，亲水区域能够作为水的优先排出通道，从而将多余的水分排出电池，避免电池发生水淹。
(5)没有经过亲水区域修饰的气体扩散层，依然保留较高的疏水性和气体透过率。因而气体扩散层能够被划分成不同的亲水疏水功能区域，为多物理场耦合优化燃料电池性能提供了现实基础。
附图说明
图1为气体扩散层涂布了亲水区域之后，液态水的接触试验图；
图2为实施例2亲水区域的扫面电镜图以及元素分析；
图3为实施例1、2采取的亲水区域平面设计(纵深未穿透)；
图4为实施例3、4采取的亲水区域平面设计(纵深穿透)；
图5为实施例5、6采取的亲水区域平面设计(纵深穿透)；
图6为实施例1-6在低增湿工况下的极化曲线(RH＝35％)；
图7为实施例1-6在高增湿工况下的极化曲线(RH＝100％)；
图8为实施例1-6在0.4V下的电流密度比较；
图9为亲水膜结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
疏水处理：以聚四氟乙烯作为疏水剂，浸泡气体扩散层的支撑层；以导电炭黑与疏水剂比例为5:1，制备气体扩散层的微孔层。
亲水结构设计：所选小分子为异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯，亲水区域设计如图3所示，亲水区域的制备方法包括以下步骤：
a)以去离子水和乙醇的混合液作为溶剂，其中去离子水占混合液质量的5％；
b)将混合液的pH值调整至6；
c)将用于自组装亲水区域的小分子投入上述混合液中，搅拌20分钟获得亲水区域的前驱体溶液，该小分子的质量占比为1％；
d)在气体扩散层上涂覆亲水区域，在100℃的温度下烘干，即可获得具备亲水疏水协调结构的燃料电池用气体扩散层。
将所制备的气体扩散层，进行膜电极组装与测试。所使用的商业催化剂/膜复合体(CCM，武汉理工新能源有限公司)参数：质子交换膜厚度15μm，阳极催化剂(Pt/C)载量0.1mgcm-2，阴极催化剂(Pt/C)载量0.4mg cm-2。测试条件：通入氢气与空气计量比为1.5:2.8；阴阳极的背压为0.3bar；电池测试温度为80℃；进行极化曲线测试前预先活化4小时。极化曲线测试结果如图6和图7所示，在阴极阳极均采取35％增湿工况下，0.4V电压能获得1.85Acm-2；在阴极阳极均采取100％增湿工况下，0.4V电压能获得2.15A cm-2。
实施例2
疏水处理：以聚四氟乙烯作为疏水剂，浸泡气体扩散层的支撑层；以导电炭黑与疏水剂比例为4:1，制备气体扩散层的微孔层。
亲水结构设计：所选小分子为γ-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷，亲水区域设计如图3所示，亲水区域的制备方法包括以下步骤：
a)以去离子水和乙醇的混合液作为溶剂，其中去离子水占混合液质量的50％；
b)将混合液的pH值调整至4；
c)将用于自组装亲水区域的小分子投入上述混合液中，搅拌10分钟获得亲水区域的前驱体溶液，该小分子的质量占比为2％；
d)在气体扩散层上涂覆亲水区域，在110℃的温度下烘干，即可获得具备亲水疏水协调结构的燃料电池用气体扩散层。
将所制备的气体扩散层，进行膜电极组装与测试。极化曲线测试结果如图6和图7所示，在阴极阳极均采取35％增湿工况下，0.4V电压能获得2.14A cm-2；在阴极阳极均采取100％增湿工况下，0.4V电压能获得2.33A cm-2。
实施例3
疏水处理：以聚偏氟乙烯作为疏水剂，浸泡气体扩散层的支撑层；以导电炭黑与疏水剂比例为5:1，制备气体扩散层的微孔层。
亲水结构设计：所选小分子为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，亲水区域设计如图4所示，亲水区域的制备方法包括以下步骤：
a)以去离子水和乙醇的混合液作为溶剂，其中去离子水占混合液质量的30％；
b)将混合液的pH值调整至2；
c)将用于自组装亲水区域的小分子投入上述混合液中，搅拌30分钟获得亲水区域的前驱体溶液，该小分子的质量占比为0.5％；
d)在气体扩散层上涂覆亲水区域，在130℃的温度下烘干，即可获得具备亲水疏水协调结构的燃料电池用气体扩散层。
将所制备的气体扩散层，进行膜电极组装与测试。极化曲线测试结果如图6和图7所示，在阴极阳极均采取35％增湿工况下，0.4V电压能获得2.10A cm-2；在阴极阳极均采取100％增湿工况下，0.4V电压能获得2.28A cm-2。
实施例4
疏水处理：以聚偏氟乙烯作为疏水剂，浸泡气体扩散层的支撑层；以导电炭黑与疏水剂比例为4:1，制备气体扩散层的微孔层。
亲水结构设计：所选小分子为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，亲水区域设计如图4所示，亲水区域的制备方法包括以下步骤：
a)以去离子水和乙醇的混合液作为溶剂，其中去离子水占混合液质量的25％；
b)将混合液的pH值调整至5；
c)将用于自组装亲水区域的小分子投入上述混合液中，搅拌25分钟获得亲水区域的前驱体溶液，该小分子的质量占比为1.5％；
d)在气体扩散层上涂覆亲水区域，在110℃的温度下烘干，即可获得具备亲水疏水协调结构的燃料电池用气体扩散层。
将所制备的气体扩散层，进行膜电极组装与测试。极化曲线测试结果如图6和图7所示，在阴极阳极均采取35％增湿工况下，0.4V电压能获得1.77A cm-2；在阴极阳极均采取100％增湿工况下，0.4V电压能获得2.06A cm-2。
实施例5
疏水处理：以氟化乙烯丙烯共聚物为疏水剂，浸泡气体扩散层的支撑层；以导电炭黑与疏水剂比例为5:1，制备气体扩散层的微孔层。
亲水结构设计：所选小分子为γ-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷，亲水区域设计如图5所示，亲水区域的制备方法包括以下步骤：
a)以去离子水和乙醇的混合液作为溶剂，其中去离子水占混合液质量的10％；
b)将混合液的pH值调整至3；
c)将用于自组装亲水区域的小分子投入上述混合液中，搅拌10分钟获得亲水区域的前驱体溶液，该小分子的质量占比为1％；
d)在气体扩散层上涂覆亲水区域，在130℃的温度下烘干，即可获得具备亲水疏水协调结构的燃料电池用气体扩散层。
将所制备的气体扩散层，进行膜电极组装与测试。极化曲线测试结果如图6和图7所示，在阴极阳极均采取35％增湿工况下，0.4V电压能获得2.03A cm-2；在阴极阳极均采取100％增湿工况下，0.4V电压能获得2.25A cm-2。
实施例6
疏水处理：以氟化乙烯丙烯共聚物作为疏水剂，浸泡气体扩散层的支撑层；以导电炭黑与疏水剂比例为4:1，制备气体扩散层的微孔层。
亲水结构设计：所选小分子为异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯，亲水区域设计如图5所示，亲水区域的制备方法包括以下步骤：
a)以去离子水和乙醇的混合液作为溶剂，其中去离子水占混合液质量的10％；
b)将混合液的pH值调整至2；
c)将用于自组装亲水区域的小分子投入上述混合液中，搅拌20分钟获得亲水区域的前驱体溶液，该小分子的质量占比为1％；
d)在气体扩散层上涂覆亲水区域，在120℃的温度下烘干，即可获得具备亲水疏水协调结构的燃料电池用气体扩散层。
将所制备的气体扩散层，进行膜电极组装与测试。极化曲线测试结果如图6和图7所示，在阴极阳极均采取35％增湿工况下，0.4V电压能获得1.95A cm-2；在阴极阳极均采取100％增湿工况下，0.4V电压能获得2.21A cm-2。
通过对测试数据进行总结，如图8所示，实施例2在低增湿和高增湿工况下，均获得了最高的电流密度(分别为2.14A cm-2，2.33A cm-2)；实施例3在低增湿和高增湿工况下，受到湿度变化的影响最小(差值为0.18A cm-2)；图5所示的亲水区域结构设计，其性能输出受实施例变化的影响最小(实施例5差值0.22A cm-2，实施例6差值0.26A cm-2)。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池用气体扩散层，其特征在于，该气体扩散层经疏水处理，之后在所述气体扩散层上赋予形状可控的亲水区域，所述亲水区域是由亲水小分子在所述气体扩散层中自组装而形成的亲水膜结构；
所述亲水小分子选自异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯、γ-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷、异丙基二油酸酰氧基(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用气体扩散层，其特征在于，所述疏水处理是利用疏水剂浸泡所述气体扩散层的支撑层、在所述气体扩散层的微孔层中添加疏水剂，或缩小微孔层的孔径中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池用气体扩散层，其特征在于，所述疏水剂选自聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚偏氟乙烯乳液或聚六氟丙烯乳液中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池用气体扩散层，其特征在于，所述亲水小分子在气体扩散层中的碳粉表面实现自组装，并在所述气体扩散层内部形成超薄亲水膜结构。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池用气体扩散层，其特征在于，所述亲水小分子通过前驱体溶液涂布在所述气体扩散层上。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池用气体扩散层，其特征在于，涂布形式包括手工涂刷、机械程序涂刷或丝网印刷中的一种或多种。
7.一种如权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，对所述气体扩散层进行疏水处理，在经过疏水处理的气体扩散层上涂布亲水区域，亲水区域涂布采用以下步骤：
(1)以去离子水和乙醇的混合液作为溶剂，其中去离子水占混合液质量的5％～50％，并将混合液的pH值调整至2～6；
(2)将亲水小分子投入上述混合液中，搅拌获得亲水区域的前驱体溶液，所述亲水小分子的质量占比为0.5％～2％；
(3)在气体扩散层上涂覆亲水区域，在100～130℃的温度下烘干，即获得所述燃料电池用气体扩散层。
8.根据权利要求7所述的燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，对所述气体扩散层进行疏水处理，具体步骤为：
以聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚偏氟乙烯乳液或聚六氟丙烯乳液中的一种或多种作为疏水剂，浸泡气体扩散层的支撑层；和/或以导电炭黑与疏水剂比例为4-5：1，制备气体扩散层的微孔层。
9.一种如权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层的应用，其特征在于，所述的燃料电池用气体扩散层用于制备燃料电池。
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