【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于燃料電池，涉及一種燃料電池用氣體擴散層及其制備方法和燃料電池。
技術介紹
1、燃料電池是一種可以把燃料中的化學能轉換為電能的裝置，其中，質子交換膜燃料電池(pemfc)具有室溫快速啟動、功率密度高、噪音小等優點，其能量轉換效率高，不受卡諾循環限制，在各個領域尤其是在新能源汽車領域取得了重大進展，目前引起了大量研究人員的注意。
2、燃料電池的核心部件是膜電極(mea)，mea由氣體擴散層、催化劑層和質子交換膜組成。其中，氣體擴散層在電池中起到支撐催化劑層、氣體傳輸和水管理的作用。氣體擴散層由多孔基底層和微孔層構成，基底層一般為碳紙、碳布或碳氈，疏水處理后在一側涂覆微孔層。微孔層包含導電劑和疏水劑，直接與催化層接觸，因此，微孔層不僅需要具有疏水性，在電池運行過程中及時將水排除，同時也需要具有一定親水性，在低增濕情況下使電池內部保持濕潤，滿足催化劑反應要求。
3、cn114725398a提供了一種耐高壓長壽命氣體擴散層及制備方法和燃料電池，所述耐高壓長壽命氣體擴散層包括金屬網，所述金屬網內設置有相連的第一疏水層和第二疏水層；第一疏水層的孔徑范圍為1μm～50μm，第二疏水層的孔徑范圍為10nm～500nm。該文獻中僅僅考慮到了疏水效果，忽略了電池在低增濕條件下的需求。
4、cn112421052a公開了一種質子交換膜燃料電池用氣體擴散層及其制備方法與應用，其所述微孔層包括導電炭黑、憎水性粘結劑和聚丙烯腈。聚丙烯腈/憎水性的聚合物粘接劑復合微孔層提高了單電池在低增濕條件下的性能。但是聚丙
5、因此，如何使得氣體擴散層適應燃料電池的不同增濕條件下的電池工況，提升燃料電池的性能，是亟待解決的技術問題。
技術實現思路
1、針對現有技術存在的不足，本專利技術的目的在于提供一種燃料電池用氣體擴散層及其制備方法和燃料電池。本專利技術提供的氣體擴散層結構，將同時具有親疏水效果的微孔層與疏水層協同作用，可適應不同增濕條件的工況，保持電池性能，且無需進行額外處理，即可提升燃料電池在低增濕下的性能。
2、為達到此專利技術目的，本專利技術采用以下技術方案：
3、第一方面，本專利技術提升一種燃料電池用氣體擴散層，所述燃料電池用氣體擴散層包括依次層疊的基底層、第一微孔層和第二微孔層；
4、其中，所述第一微孔層包括碳材料和第一疏水粘結劑；所述第二微孔層包括經過親水改性的碳材料和第二疏水粘結劑。
5、本專利技術提供的氣體擴散層結構，內層(即更靠近基底層的結構，第一微孔層)中未進行親水改性的碳材料可以在高保濕條件下及時排水，防止電池水淹，同時協同外層的親疏水層(第二微孔層，碳材料進行親水處理)協同作用，碳材料經過親水改性，表面含氧基團增多，較為親水，能夠在低增濕條件下保水，同時內層中還加入了疏水劑，使其既有疏水孔道，又有親水孔道，可以滿足濕度較高時，及時排水，防止水淹；從而適應了不同增濕條件的工況，保持電池性能，且無需進行額外處理，即可提升燃料電池在低增濕下的性能。
6、本專利技術中，內層的疏水層必須與外層的親疏水層協同配合，才能共同實現電池在不同增濕條件下穩定運行；如果只含有內層的疏水層，無法實現低增濕條件運行，如果只含有外層的親疏水層，又會導致電池在高增濕條件下水淹；而如果內層和外層位置互換，會嚴重影響電池水管理；同時，如果外層僅僅為親水層(即第二微孔層不具備疏水功能)，又不能解決較低增濕條件下的排水問題。
7、優選地，所述基底層包括碳紙、碳布或碳氈中的任意一種或至少兩種的組合。
8、優選地，所述基底層中靠近第一微孔層的一側進行了疏水處理。
9、優選地，第一微孔層的厚度為10～30μm，例如10μm、13μm、15μm、18μm、20μm、23μm、25μm、28μm或30μm等。
10、優選地，所述第二微孔層的厚度為10～20μm，例如10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm等。
11、本專利技術中，第二微孔層的厚度過薄，不利于電池排水，過厚，會使得電池易水淹。
12、進一步地第一微孔層的厚度和第二微孔層的厚度協同配合，共同實現了電池在較寬增濕窗口下運行。
13、優選地，所述經過親水改性的碳材料中的改性劑包括酸或堿。
14、本專利技術中，碳材料經過酸或者堿的改性處理，使其表面含氧基團增多，較為親水，能夠在低增濕條件下保水；而如果選用其他的改性劑，則會出現改性結果不可控，達不到預期效果的問題。
15、優選地，所述碳材料包括導電炭黑、碳納米管或石墨烯中的任意一種或至少兩種的組合。
16、本專利技術中，導電炭黑的具體類型不進行限制，可作為導電炭黑的各種幸好的物質，本專利技術均適用，包括但不限于乙炔黑、black?pearls?2000、vulcan?xc-72或kb?ec600jd等。
17、優選地，所述第一疏水粘結劑和所述第二疏水粘結劑各自獨立地包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物或聚三氟氯乙烯中的任意一種或至少兩種的組合。
18、第二方面，本專利技術提供一種如第一方面所述的燃料電池用氣體擴散層的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：
19、將碳材料、第一疏水粘結劑和第一分散劑進行第一混合，得到第一微孔層漿料；
20、將經過親水改性的碳材料、第二疏水粘結劑和第二分散劑進行第二混合，得到第二微孔層漿料；
21、將第一微孔層漿料涂覆于基底層表面，得到第一微孔層，然后在第一微孔層表面再次涂覆第二微孔層漿料，熱處理，得到燃料電池用氣體擴散層。
22、本專利技術提供的制備方法，通過濕法漿料法制備得到微孔層，各個組分的分散更為均勻，微孔層的厚度也更為均勻，且制備方法簡單，無需加入額外的添加劑或者處理工序，即可適應不同的增濕條件，且所需材料均廉價易得，來源廣泛，能夠滿足規?；a需求。
23、優選地，所述經過親水改性的碳材料的親水改性方法包括：
24、將改性劑溶液與碳材料進行混合改性，得到經過親水改性的碳材料。
25、優選地，所述改性劑溶液包括酸溶液或堿溶液。
26、本專利技術中，酸溶液包括但不限于硝酸、磷酸、硫酸或次氯酸鈉等，堿溶液包括但不限于氫氧化鈉或氨水等。
27、優選地，所述改性劑溶液中包括至少兩種酸溶液或至少兩種堿溶液。
28、本專利技術中，選用至少兩種酸或者堿作為改性劑，可增強酸性或堿性，實現氧化碳材料，達到親水改性的目的。
29、優選地，所述酸溶液的質量濃度≥70％，例如70％、71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％、80％、85％或90％等。
30、優選地，所述混合改性的溫度為50～80℃，例如50℃、55℃、60℃、65℃、70本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種燃料電池用氣體擴散層，其特征在于，所述燃料電池用氣體擴散層包括依次層疊的基底層、第一微孔層和第二微孔層；
2.根據權利要求1所述的燃料電池用氣體擴散層，其特征在于，所述基底層包括碳紙、碳布或碳氈中的任意一種或至少兩種的組合；
3.根據權利要求1或2所述的燃料電池用氣體擴散層，其特征在于，所述第一微孔層的厚度為10～30μm；
4.根據權利要求1-3任一項所述的燃料電池用氣體擴散層，其特征在于，所述經過親水改性的碳材料中的改性劑包括酸或堿；
5.一種如權利要求1-4任一項所述的燃料電池用氣體擴散層的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：
6.根據權利要求5所述的燃料電池用氣體擴散層的制備方法，其特征在于，所述經過親水改性的碳材料的親水改性方法包括：
7.根據權利要求5或6所述的燃料電池用氣體擴散層的制備方法，其特征在于，所述第一微孔層漿料中，碳材料的質量占比為3～10％；
8.根據權利要求5-7任一項所述的燃料電池用氣體擴散層的制備方法，其特征在于，所述涂覆的方法包括刮涂；
...【技術特征摘要】
1.一種燃料電池用氣體擴散層，其特征在于，所述燃料電池用氣體擴散層包括依次層疊的基底層、第一微孔層和第二微孔層；
2.根據權利要求1所述的燃料電池用氣體擴散層，其特征在于，所述基底層包括碳紙、碳布或碳氈中的任意一種或至少兩種的組合；
3.根據權利要求1或2所述的燃料電池用氣體擴散層，其特征在于，所述第一微孔層的厚度為10～30μm；
4.根據權利要求1-3任一項所述的燃料電池用氣體擴散層，其特征在于，所述經過親水改性的碳材料中的改性劑包括酸或堿；
5.一種如權利要求1-4任一項所述的燃料電池用氣體擴散層的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李詠煥，王英，賈少武，蘇建敏，孫奎，
申請(專利權)人：中汽創智科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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