一种基底层、气体扩散层及其制备方法与流程

本申请涉及燃料电池制备，尤其涉及一种基底层、气体扩散层及其制备方法。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池的核心部件为膜电极，而膜电极主要由催化层与气体扩散层组成，其中，气体扩散层又可分为基底层与微孔层；基底层直接与催化层相接触，一方面其起到对微孔层和催化层的支撑作用，另一方面还兼具收集电流、传导气体和排出水等作用，目前基底层所用的主要材料为碳纸、碳布。

2、由于质子交换膜燃料电池在工作时阴极会生成液态水，而液态水的存在会对气体传输造成影响，并且过多的液态水会发生“水淹”的现象，影响电池的性能，所以一般需要对气体扩散层中基底层进行疏水处理，使其具有一定的水管理能力。然而基底层不同的疏水方式可能会使质子交换膜的分布不同，并且膜电极正常工作阶段既需要在低电流密度下的气体扩散层具有一定的保水能力，又需要在大电流密度下具有良好的排水能力，因此这要求气体扩散层在低电流密度和大电流密度条件下都具备亲疏水的良好平衡能力，但是目前大部分商用的气体扩散层中基底层要么排水性能优异而保水性能差，要么排水性能差而保水性能优异，难以实现亲疏水的良好平衡，这使得现有燃料电池的基底层水管理能力较差。

技术实现思路

1、本申请提供了一种基底层、气体扩散层及其制备方法，以解决现有技术中气体扩散层中基底层亲疏水能力难以良好的平衡的技术问题。

2、第一方面，本申请提供了一种基底层，所述基底层包括：碳基底，以及浸渍在所述碳基底中的氟系憎水剂，所述氟系憎水剂在所述碳基底中呈低含量与高含量的间隔分布，以对应形成间隔分布的低憎水剂区域和高憎水剂区域，其中，所述低憎水剂区域的宽度＞所述高憎水剂区域的宽度。

3、可选的，所述低憎水剂区域中氟的质量浓度为10％～15％，所述高憎水剂区域中氟的质量浓度为30％～40％。

4、可选的，所述低憎水剂区域的宽度为60μm～80μm，所述高憎水区域的宽度为7μm～11μm。

5、第二方面，本申请提供了一种基底层的制备方法，所述制备方法包括：

6、于氟系憎水剂中对基底层进行浸渍，后使用具有多个间隔分布的凸起的亲水材料为模具对含有氟系憎水剂的所述基底层进行挤压并晾干，以在所述基底层上形成对应的多个间隔分布的低憎水剂区域和高憎水剂区域，得到湿润基底层；

7、对所述湿润基底层分阶段进行干燥，得到基底层。

8、可选的，所述挤压的时间为0.5min～5min，所述挤压的压力≤1mpa，所述挤压的温度为20℃～25℃。

9、可选的，所述凸起段的宽度为60μm～80μm，相邻所述凸起段的距离为7μm～11μm。

10、可选的，所述挤压的时间为0.5min～5min，所述挤压的压力≤1mpa，所述挤压的温度为20℃～25℃。

11、可选的，所述干燥包括第一阶段干燥、第二阶段干燥和第三阶段干燥；

12、所述第一阶段干燥的温度为55℃～65℃，所述第一阶段干燥的时间为2min～8min；

13、所述第二阶段干燥的温度为75℃～85℃，所述第二阶段干燥的时间为2min～8min；

14、所述第三阶段干燥的温度为95℃～105℃，所述第三阶段干燥的时间为2min～8min。

15、第三方面，本申请提供了一种气体扩散层，所述气体扩散层包括：微孔层，以及第一方面所述的基底层。

16、第四方面，本申请提供了一种制备第三方面所述的气体扩散层的方法，所述方法包括：

17、对分散剂和导电炭黑进行搅拌，后进行超声，得到微孔层分散料；

18、对氟系憎水剂和所述微孔层分散料进行搅拌和球磨，得到微孔层浆料；

19、采用所述微孔层浆料对所述基底层表面进行刮涂，后进行干燥和热处理，得到气体扩散层；

20、其中，所述热处理包括梯度干燥。

21、可选的，所述微孔层浆料中氟系憎水剂的质量浓度为15％～35％；和/或，

22、所述导电炭黑和所述分散剂的质量比为1:4～15；和/或，

23、所述气体扩散层中导电炭黑的载量为0.8mg/cm2～3.0mg/cm2。

24、可选的，所述导电炭黑包括以下至少一种：

25、乙炔黑、vulcanxc-72、卡博特碳黑、碳纳米管和石墨烯粉末；和/或，

26、所述氟系憎水剂包括以下至少一种：

27、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯以及四氟乙烯和乙烯的共聚物；和/或，

28、所述分散剂包括以下至少一种：

29、乙醇、异丙醇、乙二醇和六氟异丙醇。

30、本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

31、本申请实施例提供的一种基底层，通过将基底层以低憎水剂区域和高憎水剂区域的方式进行分隔拆分，并控制低憎水剂区域和高憎水剂区域的宽度关系，可以使得低憎水剂区域的面积大于高憎水区域的面积，由于氟系憎水剂有良好的排水性而不具备导电性，同时氟系憎水剂还会粘在基底层中碳基底的孔隙之间，使得孔隙减少并降低基底层的孔隙率，因此将基底层中氟系憎水剂的含量进行分区域的控制，可以使得基底层中氟系憎水剂的含量呈现区域性的变化，进而使得孔隙率在基底层中呈现区域性的变化，一定程度上可以提高基底层的透气性，而这一区域性变化可以使得基底层在低电流密度下具有一定的保水能力，并且在高电流密度下也可以具有优异的排水性能，有效的提高了基底层的水管理能力。

技术特征：

1.一种基底层，其特征在于，所述基底层包括：碳基底，以及浸渍在所述碳基底中的氟系憎水剂，所述氟系憎水剂在所述碳基底中呈低含量与高含量的间隔分布，以对应形成间隔分布的低憎水剂区域和高憎水剂区域，其中，所述低憎水剂区域的宽度＞所述高憎水剂区域的宽度。

2.根据权利要求1所述的基底层，其特征在于，所述低憎水剂区域中氟的质量浓度为10％～15％，所述高憎水剂区域中氟的质量浓度为30％～40％。

3.根据权利要求1所述的基底层，其特征在于，所述低憎水剂区域的宽度为60μm～80μm，所述高憎水区域的宽度为7μm～11μm。

4.一种制备如权利要求1-3任一项所述的基底层的方法，其特征在于，所述方法包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述挤压的时间为0.5min～5min，所述挤压的压力≤1mpa，所述挤压的温度为20℃～25℃。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述干燥包括第一阶段干燥、第二阶段干燥和第三阶段干燥；

7.一种气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层包括：微孔层，以及权利要求1-4任一项所述的基底层。

8.一种制备如权利要求7所述的气体扩散层的方法，其特征在于，所述方法包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述微孔层浆料中氟系憎水剂的质量浓度为15％～35％；和/或，

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述导电炭黑包括以下至少一种：

技术总结本申请涉及燃料电池制备技术领域，尤其涉及一种基底层、气体扩散层及其制备方法；所述制备方法包括：所述基底层包括：碳基底，以及氟系憎水剂，氟系憎水剂在碳基底中呈低含量与高含量的间隔分布，以低憎水剂区域和高憎水剂区域，低憎水剂区域的宽度＞高憎水剂区域的宽度；通过将基底层以低憎水剂区域和高憎水剂区域的方式进行分隔拆分，并控制低憎水剂区域和高憎水剂区域的宽度关系，可以使得低憎水剂区域的面积大于高憎水区域的面积，可以使得基底层中氟系憎水剂的含量呈现区域性的变化，而这一区域性变化可以使得基底层在低电流密度下具有一定的保水能力，并且在高电流密度下也可以具有优异的排水性能，有效的提高了基底层的水管理能力。技术研发人员：赵航,官树猛,高佳武,唐雪君,韩凯凯受保护的技术使用者：东风汽车集团股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25