[发明专利]一种具有梯度化亲水或疏水性扩散层的制备方法

权利要求书

1.一种具有梯度化亲水/疏水性扩散层的制备方法，所述梯度化亲水/疏水性扩散层的制备方法是一种不需炭化/石墨化的碳纤维纸的制备工艺，然后以所制备的碳纤维纸为基质层，在其表面制备梯度化的微孔层；其梯度化主要表现在横向亲水/疏水性的梯度化和纵向亲水/疏水性的梯度化；此外，在微孔层的制备过程中，额外添加一些可延长燃料电池寿命的辅助添加剂，延长了燃料电池的运行寿命；其特征在于，该梯度化亲水/疏水性扩散层的制备工艺如下：

1)所述扩散层是以碳纤维纸为基质层；碳纤维纸由碳纤维长丝为原材料，利用纤维切断机将碳纤维短切，短切后的碳纤维丝长度9-16mm；

2)将短切后的碳纤维丝置于机械搅拌器中，搅拌10-30s，使短切碳纤维丝处于解开状态，然后将解开的短切碳纤维丝一层一层地放置到热压模具里面，在每一层之间，按照碳纤维：可膨胀石墨：酚醛树脂粉末的配比范围为：60-80wt％：7-20wt％：13-25wt％，加入酚醛树脂粉末和可膨胀石墨的混合物；其中，酚醛树脂起支撑碳纤维丝的作用，可膨胀石墨用于增强碳纤维纸的导电率，同时改善碳纤维纸的孔隙及其大小孔隙的分布；填充量的多少及材料配比决定了最终成型碳纤维纸的厚度及各项参数性能；

3)将填充好材料的热压模具置于热压机中热压成型，固化填料中的聚合物，达到成型并支撑碳纤维丝的目的；其中热压温度180-240℃，热压压强150-250bar，热压时间60-90min；

4)完成热压后，保持压力，直到温度降至80℃±5℃，然后卸压并取出模具中成型的碳纤维纸；至此，完成扩散层基质层的碳纤维纸的制备；

5)用刀模治具将碳纤维纸裁剪成特定的尺寸，由于没有炭化和石墨化处理工艺，接下来在碳纤维纸上进行微孔层MPL处理工艺，该微孔层MPL处理工艺是在微孔层MPL下方，对裁剪成特定尺寸的碳纤维纸上表面进行横纵向的亲水/疏水性处理。

2.根据权利要求1所述一种具有梯度化亲水/疏水性扩散层的制备方法，其特征在于，所述步骤5)对裁剪成特定尺寸的碳纤维纸上表面进行横纵向的亲水/疏水性处理，其处理工艺：在碳纤维纸的纵向方向，做了三层梯度化的微孔层，每层亲水/疏水性的介质比例、多少不一；在碳纤维纸的横向方向，根据工况运行条件的需要，将碳纤维纸分为若干段，每一段的亲水/疏水性的介质比例、多少不一；将微孔层的制备工艺梯度化成亲疏水性不同的3*n个区域，其中n≥2；从最靠近碳纤维纸的一层往上，从碳纸的最左侧往右，分为区域A₁、A₂、…、A_n；B₁、B₂、…B_n；C₁、C₂、…C_n；每一个区域的微孔层制备工艺各不相同；具体包括：

1)微孔层的浆料制备工艺如下：

选取一定量的碳粉作为主要填料，所用碳粉为导电炭黑、乙炔黑及科琴黑的高导电碳粉；疏水性材料主要为PVDF乳液；亲水性材料为Nafion D520或Nafion D1021乳液；造孔剂为Triton-X、Li₂CO₃、(NH₄)₂CO₃或乙酸乙酯；主要溶剂有异丙醇、乙醇、去离子水或NMP(N-甲基吡咯烷酮)；将碳粉、亲/疏水性乳液、造孔剂加入到一定量的溶剂里面，搅拌10min后，再超声分散20-40min，得到均匀分散的炭黑浆料；其中碳粉与溶剂、疏水剂(以固含量计)、亲水剂(以固含量计)、造孔剂的质量比范围为：1：8-20：0.7-2.7：0.05-0.22：0.1-0.3；由于微孔层的制备区域划分成3*n个区域，所以，需要制备3*n份炭黑浆料，每一份里面，炭黑：亲水材料：疏水材料的质量比各不相同；由A到B到C层，亲水剂与炭黑的质量比逐渐升高，疏水剂与炭黑的质量比逐渐降低，由第1区域到第2区域，最后到第n区域，亲水剂与炭黑的质量比逐渐降低，疏水剂与炭黑的质量比逐渐升高；即A_n区域疏水性最强，C₁区域亲水性最强；

2)微孔层制备工艺：根据试验结果，最靠近碳纤维纸的A层，疏水性最强，保证从催化层渗透传递过来的水分能顺畅地排到双极板流场，进而排出电池体外；离碳纤维纸最远、最上面的C层，靠近催化层，亲水性相对最好，它一方面将一定量的水分维持在三相反应界面，提高了膜的质子传导能力，提升了电池发电性能，另一方面，它起着一个毛细渗透的作用，将催化层产生的水，经过毛细渗透转移至微孔层，进而逐级地通过微孔层、碳纤维纸基材，最后到流场并排出电池体外；具体工艺为：

2.1在碳纤维纸的横向方向，沿燃料气体的流动方向，做了一个梯度化的亲疏水处理，沿着气体流动方向，将碳纤维纸等间距地划分成第1，第2，……第n区，n≥2的n个区域；第1区，由于最靠近进气端，其微孔层的亲水性相对最强，第n区，由于最靠近排气端，其微孔层的疏水性相对最强；

2.2利用喷涂、丝印或卷涂工艺，将每一层每一区域对应的炭黑浆料，按照单位面积炭黑载量一致的前提，均匀地制作到碳纤维纸表面；按照先后顺序制作A，B，C三层，每制作完一个区域，将其置于烘箱或加热板上，在90～120℃条件下热处理2-10min，除去填料中的溶剂，待最终完成所有区域的填料后，将碳纤维纸置于300-400℃的烤箱中处理20-60min，以除去其中的造孔剂，同时使亲疏水剂在碳纤维纸中更好地聚合，形成一个有机的整体；

3)辅助添加剂的加入，提升了燃料电池的寿命；辅助添加剂有CeO_x、杂多酸或异丙氧基钛；将一定量的辅助添加剂，异丙醇，去离子水混合并搅拌、超声分散20～40min，制备成浆料；其中辅助添加剂、异丙醇、水的质量比为1：10-20：2-5；然后利用喷涂工艺，将微量辅助添加剂喷涂到扩散层的微孔层表面，单位面积上辅助添加剂的载量范围为50-150μg/cm²，然后在100℃±5℃固化，最终得到一种具有梯度化亲水/疏水性扩散层。