一种具有高透气柔性气体扩散层及其制备方法和应用

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1.本发明涉及能源与清洁技术领域，具体涉及一种高透气柔性气体扩散层及其制备方法和应用。

背景技术：

2.柔性设备的快速发展加速了我们对柔性、可拉伸和弯曲的能源生产和存储设备的需求。其中柔性质子交换膜燃料电池(pemfc)以其高效率、低污染、快速启动等优点被认为是一种很有前途的新型能量转换装置。与其他装置相比，柔性质子交换膜燃料电池具有能量密度高、能量转化率高等优点，并且仅以氢气和氧气为燃料的柔性质子交换膜燃料电池(pemfc)发电过程中仅产生水作为副产品，释放少量废热，与传统发电系统中巨大的气体排放、废热和冷却需求相比，柔性pemfc具有极大的优势。
3.在传统的质子交换膜燃料电池中，气体扩散层(gdl)是燃料电池的关键组成部分，它是燃料、空气和水的一个通路。因此，需要对气体扩散层提出了一定的要求。它需要具较好的导电性、较好的孔隙率和合适的孔径以及时转移反应气体和去除水分并且需要具有柔性以满足柔性器件需要。一般的pemfc中使用碳纸作为电池中的气体扩散层，而碳纸是由碳纤维制成的，碳纤维通常很脆，不适用于柔性质子交换膜燃料电池。而一般将碳纸制备成柔性方法即使用碳纳米管会极大影响气体扩散层的传质能力，导致气体扩散层结构致密孔径分布不均匀且内部孔隙不连贯。
4113066995a公布了一种高韧性多孔碳纸及其制备方法，利用柠檬酸-氟氢化铵溶液对金属纤维行预处理，并在预处理金属纤维上负载碳纳米管沉积催化剂，利用气态碳沉积过程对预处理金属纤维进行碳沉积处理，得到碳沉积金属纤维，接下来利用碳沉积金属纤维与聚乙烯醇缩乙醛制备多孔碳纸胚体，最后将多孔碳纸胚体浸渍含有双酚a邻苯二甲腈的n-甲基吡咯烷酮溶液，经过高温碳化处理制备得到高韧性多孔碳纸。所述碳纸和传统碳纸制作方法类似，虽然进一步解决了孔隙率调控的问题，但是仍然保留了碳纤维较脆特性，无法应用到柔性器件中去。
5112310413a公布了一种气体扩散层的制备方法，采用碳纳米管和碳纤维两种材料混合，以碳纤维作为基底框架，碳纳米管作为框架的填充物，得到一种较高强度的较薄拥有高强度气体扩散层，但是因为使用碳纳米管作为填充物，扩散层内部结构致密，虽然使用激光打孔制造孔隙但内部孔隙不连贯，从而导致传质性能较差。
6.为了使燃料电池气体扩散层用碳纸具有柔性、较好导电性、强度和满足燃料电池需要的孔隙结构，我们亟需在现有技术基础上开发一种新型的气体扩散层用碳纸，来提高燃料电池气体扩散层的使用性能，同时确保制备过程简单，可工业化生产。

技术实现要素：

7.有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供了一种高透气柔性气体扩散层及其制备方法和应用，以微晶纤维素为模板，采用真空抽滤和热处理的方法，利用碳纤维、碳纳米纤
维和/或碳纳米管为原材料，制备工艺简单、能耗低，制备出了一种具有柔性、高透气性能的气体扩散层。
8.为了达到上述目的，本发明提供了一种高透气柔性气体扩散层的制备方法，具体地，技术方案包括采用微晶纤维素为模板，将碳纸浆料加入所述模板中，通过真空抽滤的方法将碳纸浆料的水分抽干后，通过热处理得到所述气体扩散层。采用热处理的方法取出微晶纤维素和其他杂质，得到纯碳材料的气体扩散层。
9.优选地，根据所述气体扩散层内孔隙的要求选择所述微晶纤维素的粒径尺寸并配置成微晶纤维素溶液；将所述微晶纤维素溶液缓慢倒在滤膜上，通过真空抽滤将所述微晶纤维素的水分抽干后形成网状结构，所述滤膜与所述微晶纤维素的网络结构搭接，即得到所述模板。优选地，真空抽滤的压强为0.01～0.1mpa。
10.优选地，所述微晶纤维素溶液配置方法包括采用沉降、分离的方法获取不同粒径的微晶纤维素，将微晶纤维素原料加入水中，超声处理震荡混合均匀后转移至量筒中，静置待微晶纤维素根据粒径沉降完全后，根据粒径大小的需要将量筒中液体按照相同间隔的刻度按份取出，通过控制静置时间和取样刻度的间隔来控制粒径大小及粒径范围，将取出待用粒径的样品离心分层、统计粒径大小，最后得到不同粒径的所述微晶纤维素。
11.优选地，所述微晶纤维素的粒径范围为4～200μm；包括但不限于，粒径范围为4μm、10μm、15μm、20μm、29μm、35μm、40μm、46μm、53μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、126μm、160μm、200μm，需要说明的是，此处粒径为平均粒径。根据对气体扩散层孔隙率的需要，控制静置时间和取样间隔获取不同粒径的范围，得到需要的平均粒径。
12.优选地，所述滤膜为混合纤维素(mce)滤膜。
13.优选地，所述微晶纤维素倒在所述滤膜的表面的添加比重为x(mg
·
cm-2
)，其中，x＝(0，6]；包括但不限于，x＝1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6。
14.优选地，添加比重为x＝[3，6]，最优选地，x＝3。
[0015]
优选地，所述气体扩散层的制备包括：将碳纸浆料经前处理，滴加在所述模板的微晶纤维素网状结构上，所述碳纸浆料渗透进入所述模板中，通过真空抽滤的方法将所述碳纸浆料的水分抽干，然后从mce滤膜上揭下，得到碳纸前体；将所述碳纸前体高温煅烧后得到所述气体扩散层。
[0016]
优选地，所述碳纸浆料的前处理步骤包括将所述碳纸浆料进行加入疏水剂，进行超声处理10～30min；优选地，所述疏水剂为聚四氟乙烯；进一步地，疏水剂的添加量为所述碳纸浆料的5～40wt％。
[0017]
优选地，所述碳纸浆料为短切碳纤维浆料、碳纳米纤维浆料、单壁碳纳米管纤维(swcnt)浆料和多壁碳纳米管纤维(mwcnt)浆料的混合浆料；优选地，所述碳纸浆料中，短切碳纤维浆料：碳纳米纤维浆料质量比为4∶1；swcnt浆料和mwcnt浆料质量比为1∶1。更优选地，所述碳纸浆料中短切碳纤维浆料、碳纳米纤维浆料、swcnt浆料和mwcnt浆料按照质量比为24∶6∶5∶5进行混合，具体地，短切碳纤维占比60wt％、碳纳米纤维占比15wt％、单壁碳纳米管占比12.5wt％和多壁碳纳米管占比12.5wt％。
[0018]
优选地，所述碳纸浆料倒在所述模板中各成分添加比重分别为：所述短切碳纤维比重为0.1～2mg
·
cm-2
，优选为1.6mg
·
cm-2
；所述碳纳米纤维比重为0.1～2mg cm-2
，优选为0.4mg
·
cm-2
；所述单壁碳纳米管比重为0.1～2mg
·
cm-2
，优选为0.33mg cm-2
；所述多壁碳纳
米管比重为0.1～2mg
·
cm-2
，优选为0.33mg
·
cm-2
。
[0019]
优选地，气体扩散层碳纸的孔隙率分别为85～90％，例如，85％，86％，87％，88％，89％，90％等。
[0020]
具体地，本发明提供的高透气柔性气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：
[0021]
s1.碳纸浆料的制备；分别将短切碳纤维、碳纳米纤维、单壁碳纳米管纤维(swcnt)和多壁碳纳米管纤维(mwcnt)分散后按照比例混合，加入疏水剂，超声处理得到所述碳纸浆料；
[0022]
s2.模板的制备；根据需要选择微晶纤维素的粒径，配置成微晶纤维素溶液后缓慢倒在滤膜上，通过真空抽滤将所述微晶纤维素溶液的水分抽干后形成网状结构，所述滤膜与所述微晶纤维素的网络结构搭接，即得到所述模板；
[0023]
s3.气体扩散层的制备；将s1制备的所述碳纸浆料缓慢滴加在s2制备的所述模板上，所述碳纸浆料渗透进入所述微晶纤维素的网状结构内部，通过真空抽滤将所述碳纸浆料抽干，干燥后从mce滤膜上揭下后放入马弗炉中200～500℃高温煅烧10～60min，除去所述微晶纤维素和其他杂质，即得到具有纯碳材料的所述气体扩散层。
[0024]
采用上述技术方案制备的气体扩散层，不经过石墨化处理手段，仅需要采用简单的真空抽滤和热处理等方法，利用碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管为原材料，针对加入碳纳米管导致的气体扩散层内部结构致密的问题，使用微晶纤维素的粒径对碳纸内部进行调控，通过对孔隙率和孔隙大小等参数优化了其孔隙结构，得到柔性高透气性且能够适用于燃料电池的气体扩散层。
[0025]
同时采用高温热处理的方法，最后将微晶纤维素和其他杂质除去，使气体扩散层成为完全的碳材料结构，提供了良好的导电性能，为其应用于燃料电池后具备良好的电学性能提供了基础。
[0026]
本发明所获得的有益技术效果：
[0027]
1.采用本发明技术方案制备的气体扩散层，采用了碳纳米管作为碳纤维的填充，所得到的气体扩散层碳纸具有高透气性和柔性可弯曲的优点，同时，采用高温热处理的方法除去微晶纤维素和其他杂质，使气体扩散层成为完全使用碳材料制备而成，碳纸的导电性能良好，能很好满足柔性燃料电池的需要。
[0028]
2.采用本发明技术方案制备的气体扩散层，采用微晶纤维素作为模板，能够根据微晶纤维素的粒径大小和添加比重来调整气体扩散层内部的空隙大小，来提高气体扩散层内部结构的孔隙率，从而提高气体扩散层的传质性能，从而提高电池的电学性能。
[0029]
3.采用本发明技术方案，避免了现有技术中利用碳纳米管本身尺寸直接填充导致的碳纸内部结构致密、内部孔隙不连贯的问题，而本发明利用微晶纤维素造孔后，可以定量控制加入微晶纤维素的粒径大小以及添加比重，对碳纸内部孔隙进行定量调控，并且方法简单，保证了导电性，同时增强了气体扩散层碳纸的传质能力。
[0030]
4.采用本发明技术方案，工艺简单，原料简单，能耗低，适宜于大批量生产和推广。
附图说明
[0031]
图1本发明实施例1的微晶纤维素沉降分离模拟示意图。
[0032]
图2本发明实施例1的制备流程示意图。
[0033]
图3a本发明对照例1中制备气体扩散层不添加微晶纤维素时碳质结构截面的sem图。
[0034]
图3b本发明实施例1中制备气体扩散层在微晶纤维素添加比重为3mg
·
cm-2
的碳质结构截面的sem图。
[0035]
图3c本发明实施例1中制备气体扩散层在微晶纤维素添加比重为6mg
·
cm-2
的碳质结构截面的sem图。
[0036]
图4本发明实施例1和对照例1分别制备的气体扩散层制备的燃料电池性能对比图。
[0037]
图5本发明实施例和对照例采用不同微晶纤维素粒径得到的气体扩散层透气性能对比图。
[0038]
图6本发明实施例和对照例采用不同微晶纤维素粒径得到的气体扩散层制备的燃料电池性能对比图。
具体实施方式
[0039]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0040]
本发明提供了一种具有高透气性、柔性的气体扩散层，通过真空抽滤方法形成具有网状结构的微晶纤维素为模板，将碳纳米管作为碳纤维填充至网状结构中，最后通过高温热处理的方法去除微晶纤维素，形成具有明显孔隙结构的气体扩散层碳纸，改善了现有技术中气体扩散层孔隙致密的问题。其中，热处理的条件包括200～500℃高温煅烧10～60min。
[0041]
尤其地，采用本发明技术方案，能够通过调整微晶纤维素的粒径和添加比重来调控气体扩散层的孔隙率，优异的孔隙结构能够保持其他扩散层的传质性能，从而维持碳纸的导电性能；同时，采用本发明技术方案还能够调整气体扩散层的透气性能，从而获得兼具透气性和柔性的空气扩散层。需要说明的是，本发明中，微晶纤维素的添加比重特指单位面积添加的微晶纤维素的质量，相同厚度和相同微晶纤维素粒径条件下，能够保证单位面积内实现添加的微晶纤维素的均质，从而最后获得均匀、连续的孔隙结构，实现更加优异的传质性能。
[0042]
进一步地，根据气体扩散层内孔隙的要求选择微晶纤维素的粒径尺寸并配置成微晶纤维素溶液；将微晶纤维素溶液缓慢倒在滤膜上，通过真空抽滤将微晶纤维素的水分抽干后形成网状结构，滤膜与微晶纤维素的网络结构搭接，即得到微晶纤维素模板。优选地，真空抽滤条件为真空抽滤的压强为0.01～0.1mpa，本发明的真空抽滤在真空抽滤器中进行。滤膜的孔径大小根据实际需要进行选择，本发明不做具体限制。
[0043]
进一步地，本发明的制备方法选用的原材料简单，仅包括微晶纤维素、碳纸浆料、疏水剂，优选地，疏水剂为聚四氟乙烯。通过高温热处理后，微晶纤维素和其他杂质被煅烧去除，得到的气体扩散层为具有优异的导电性能的碳材料材质，从而为本发明应用于燃料电池中提供了优异的电学性能基础。
[0044]
优选地，碳纸浆料倒在模板中各成分添加比重分别为：短切碳纤维比重为0.1～
2mg
·
cm-2
，优选为1.6mg
·
cm-2
；碳纳米纤维比重为0.1～2mg cm-2
，优选为0.4mg
·
cm-2
；单壁碳纳米管比重为0.1～2mg
·
cm-2
，优选为0.33mg cm-2
；多壁碳纳米管比重为0.1～2mg
·
cm-2
，优选为0.33mg
·
cm-2
。本发明技术方案或可通过该优选的添加比重选择碳纸浆料中各碳纤维的添加的质量比。
[0045]
下面通过具体的实施例来进一步详细说明本发明的技术方案，并将制备的气体扩散层碳纸应用于燃料电池的制备，并对其电学性能、透气性能进行测试。
[0046]
实施例1
[0047]
1.微晶纤维素的分离
[0048]
将微晶纤维素配置成10mg
·
ml-1
的水溶液，超声波清洗机处理5min，将其震荡混合均匀，然后将其转移到250ml量筒中，静置15min。参阅图1，量筒内的微晶纤维素分散在水中，由于同一物质不同粒径的颗粒在液体中的沉降速度不同，大粒径颗粒在溶液中沉降速度快，小粒径沉降速度慢。根据斯托克斯沉降原理，根据粒径的大小微晶纤维素在水中由小到大逐层分散在水中。
[0049]
量筒中液体每50ml刻度取出一份，通过控制静置时间和取样刻度间隔来控制每一样品粒径大小及粒径范围，将得到样品离心分层得到粒径大小统计得到粒径分别为4μm、29μm、53μm和126μm的微晶纤维素。需要说明的是，这里的粒径为根据取样刻度内的微晶纤维素颗粒得到的平均粒径。
[0050]
2.碳材料的分散
[0051]
(1)碳纤维的分散：称取500mg的短切碳纤维，量取500ml去离子水。将500mg的短切碳纤维分散在500ml去离子水中，首先用玻璃棒搅拌均匀，然后用500w超声波清洗机清洗20min，得到1mg
·
ml-1
的短切碳纤维浆料。
[0052]
(2)碳纳米纤维的分散：称取100mg的碳纳米纤维，量取200ml去离子水。将100mg的碳纳米纤维分散在200ml去离子水中，用玻璃棒搅拌均匀，再用500w超声波清洗机清洗10min，得到0.5mg
·
ml-1
的碳纳米纤维浆料。
[0053]
(3)单壁碳纳米管(swcnt)的分散：称取500mg单壁碳纳米管，量取100mg
·
ml-1的十二烷基苯磺酸钠(sdbs)溶液50ml，量取950ml去离子水，碳纳米管与十二烷基苯磺酸钠的质量比为1∶10。将单壁碳纳米管、sdbs和去离子水混合均匀，使用细胞粉粹器超声3h，得到黑均匀分散液且可放置长达数周时间，分散液无明显沉淀，得到swcnt浆料。
[0054]
(4)多壁碳纳米管(mwcnt)的分散：称取500mg多壁碳纳米管，量取100mg
·
ml-1
的十二烷基苯磺酸钠(sdbs)溶液50ml，量取950ml去离子水。将多壁碳纳米管，sdbs和去离子水混合均匀，使用细胞粉粹机超声2h，得到黑均匀分散液且可放置长达数周时间，分散液无明显沉淀，得到mwcnt浆料。
[0055]
3.气体扩散层的制备
[0056]
参阅图2，包括以下步骤：
[0057]
(1)将步骤2中处理好的短切碳纤维浆料、碳纳米纤维浆料、swcnt浆料和mwcnt浆料按照质量比为24：6：5：5进行混合，其中，短切碳纤维占比60wt％，碳纳米纤维占比15wt％，单壁碳纳米管占比12.5wt％，多壁碳纳米管占比12.5wt％，最后再加入占总浆料比重为25wt％的聚四氟乙烯(ptfe)溶液作为疏水剂混合，得到最终碳纸浆料，将得到的碳纸浆料使用超声波清洗机超声处理20min备用。
[0058]
(2)将孔径大小为0.45μm的混纤(mce)滤膜放置在抽滤装置上，将步骤1中分离的粒径大小为4μm的微晶纤维素配置成溶液，以3mg
·
cm-2
的添加比重缓缓将微晶纤维素溶液倒在mce滤膜上，通过真空抽滤将水分抽干在滤膜上得到微晶纤维素搭接的网状结构，形成微晶纤维素模板。
[0059]
(3)将步骤3-(1)备好的碳纸浆料缓慢滴加在mce滤膜上的微晶纤维素网状结构上，通过控制添加的厚度来控制碳纸浆料的比重，其中，短切碳纤维比重为1.6mg cm-2
；碳纳米纤维比重0.4mg cm-2
；单壁碳纳米管比重为0.33mg cm-2
；多壁碳纳米管比重为0.33mg cm-2
。
[0060]
碳纸浆料渗透进入微晶纤维素模板的网状结构中，再用真空抽滤的方法将碳纸浆料抽干，真空抽滤的压强为0.1mpa，干燥后从mce滤膜上揭下，得到碳纸前体；将碳纸前体放入马弗炉中350℃高温煅烧30min，除去碳纸前体中的微晶纤维素和其他杂质，得到具有柔性、高透气性的气体扩散层。
[0061]
实施例2
[0062]
本实施例与实施例1的区别在于步骤3-(2)中使用的微晶纤维素的粒径为29μm。
[0063]
实施例3
[0064]
本实施例与实施例1的区别在于步骤3-(2)中使用的微晶纤维素的粒径为53μm。
[0065]
实施例4
[0066]
本实施例与实施例1的区别在于步骤3-(2)中使用的微晶纤维素的粒径为126μm。
[0067]
实施例5
[0068]
本实施例与实施例1的区别在于步骤3-(2)中微晶纤维素溶液添加比重为1.5mg
·
cm-2
。
[0069]
实施例6
[0070]
本实施例与实施例1的区别在于步骤3-(2)中微晶纤维素溶液添加比重为4.5mg
·
cm-2
。
[0071]
实施例7
[0072]
本实施例与实施例1的区别在于步骤3-(2)中微晶纤维素溶液添加比重为6mg
·
cm-2
。
[0073]
所述短切碳纤维比重为0.1～2mg cm-2
，优选为1.6mg cm-2
；所述碳纳米纤维比重为0.1～2mg cm-2
，优选为0.4mg cm-2
；所述单壁碳纳米管比重为0.1～2mg cm-2
，优选为0.33mg cm-2
；所述多壁碳纳米管比重为0.1～2mg cm-2
，优选为0.33mg cm-2
。
[0074]
对照例1
[0075]
本实施例与实施例1的区别在于步骤3-(2)中不添加微晶纤维素，也即，微晶纤维素溶液添加比重为0，直接将碳纸浆料滴加在mce滤膜上并通过真空抽滤和高温热处理得到气体扩散层。
[0076]
对上述实施例和对照例进行透气性、电学性能的表征。
[0077]
性能表征方法：
[0078]
1.透气性能表征：气体扩散层在燃料电池中最重要的作用之一就是进行气体的传递，因此气体扩散层的气体透过性及其大小至关重要。在此，我们使用自制的检测装置。(1)将气体扩散层固定在夹具内，连接好装置。(2)打开空气泵，使气体自空气泵流入，通过夹具
后，自空气流量计流出。(3)调节装置上流量阀门，使空气流速由慢到快，并通过压力表记录压强读数(单位：kpa)和流量计流量(单位：ml
·
min-1
·
cm-2
)使压强和流量数据一一对应。(4)每组数据重复2-3次，记录至少7组数据最终得到结果。
[0079]
2.导电性能：气体扩散层作为气体扩散电极，在燃料电池中承担着传递电子的作用，其导电能力也是我们需要考察的方面，我们通过测量气体扩散层的方块电阻(r
□
)，来对气体扩散层的导电性能进行衡量。
[0080]
实验中使用四探针电阻仪，取出气体扩散层样品，在不同点进行取样，测量20个点再取平均值，得到气体扩散层方块电阻(r
□
)，因为方块电阻又称膜电阻，其大小与样品尺寸无关，单位为欧姆/sq，该单位直接翻译为方块电阻或者面电阻，因此其值越小，说明电子在扩散层面内传递越快。方块电阻的计算公式为：rs＝ρ/t(其中ρ为材料的电阻率，为材料厚度)。
[0081]
3.电池性能：以制备得到的气体扩散层组装成燃料电池：在制备的扩散层上涂覆微孔层，350℃烘干，然后涂覆铂碳催化剂，105℃烘2小时，然后将质子交换膜(杜邦)放置在阴阳两极间，130℃热压两分钟，得到mea进行封装。将得到的燃料电池进行性能测试。在常温常压下用电化学工作站进行线性伏安法，测试在电位为0v(相对开路)-0.2v(相对参比)下的线性扫描曲线，得到其峰值功率密度。
[0082]
性能表征结果：
[0083]
对实施例1、实施例7和对照例1制备得到的气体扩散层碳纸的截面的孔隙结构通过电镜进行观察并对比。
[0084]
参阅图3a、3b、3c，分别为对照例1、实施例1和实施例7，微晶纤维素添加比重分别为0，3mg cm-2
和6mg cm-2
条件下得到的气体扩散层碳纸的截面sem图，可以看到再加入微晶纤维素以后，所得碳纸截面孔隙明显由致密结构变化为具有明显的孔隙结构，显然地，通过提高微晶纤维素添加比重能够很明显地提高碳纸的孔隙率。
[0085]
对照例1、实施例5、实施例1、实施例6、实施例7加入的微晶纤维素比重分别为0、1.5mg
·
cm-2
、3mg
·
cm-2
、6mg
·
cm-2
，气体扩散层碳纸的孔隙率分别为76.5％，85.2％，86.4％，87.5％，88.3％。随着微晶纤维素加入量的增加，孔隙率随微晶纤维素含量正向规律变化，因此我们可以通过对微晶纤维素含量的改变控制孔隙变化。
[0086]
参见表1，为对照例1、实施例5、实施例1、实施例6、实施例7中不同微晶纤维素添加比重的透气性、方块电阻和电池峰值功率的对比。结果显示，在加入微晶纤维素造孔后，碳纸透气性明显增加；导电性能上分析，实施例1和实施例6的方块电阻略微增加，但是变化并不明显；表现在电池性能上(室温室压)下，当添加比重为3mg
·
cm-2
(实施例1)存在一个微晶纤维素传质的最优化，即最优孔隙结构可以最优化气体扩散层的传质性能。
[0087]
参阅图4，在添加比重为3mg
·
cm-2
与不添加微晶纤维素的制备的碳纸所得到的电池性能进行对比，添加比重为3mg
·
cm-2
电学性能明显提高，即添加微晶纤维素明显可以提高电池性能。
[0088]
表1不同微晶纤维素添加比重的透气性、方块电阻和电池峰值功率的对比
[0089][0090]
在微晶纤维素的添加比重为3mg
·
cm-2
时，改变微晶纤维素的粒径大小，实施例1-4中，所加入的微晶纤维素粒径分别为4μm、29μm、53μm和126μm。随着加入微晶纤维素粒径的改变，碳纸的孔隙大小可以被调节，随着微晶纤维素粒径的增加，碳纸透气性能急剧增加。参阅图5，由4μm时的10.5ml
·
min-1
·
kpa-1
·
cm-2
最高到达126μm时的220ml
·
min-1
kpa-1
·
cm-2
，随着透气性能的增加。
[0091]
进一步地，参阅图6，分别为对照例1和实施例4的电池性能对比，由126μm大小微晶纤维素制备的碳纸所得到的电池性能也明显提高，即调节微晶纤维素的大小可以调控碳纸内部的孔隙大小从而改变其内部的气体传输情况以此提高电池性能。
[0092]
综上，采用本发明制备的气体扩散层满足了高透气性、柔性的要求的同时，还具有良好的电化学性能，且制备方法简单，孔隙率易控，成本低，适宜大面积推广生产。
[0093]
以上仅为本发明的优选实施例，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种具有高透气柔性的气体扩散层的制备方法，其特征在于，采用微晶纤维素为模板，将碳纸浆料加入所述模板中，通过真空抽滤的方法将碳纸浆料的水分抽干后进行热处理得到所述气体扩散层。2.根据权利要求1所述的具有高透气柔性的气体扩散层的制备方法，其特征在于，根据所述气体扩散层内孔隙的要求选择所述微晶纤维素的粒径尺寸并配置成微晶纤维素溶液；将所述微晶纤维素溶液缓慢倒在滤膜上，通过真空抽滤将所述微晶纤维素的水分抽干后形成网状结构，所述滤膜与所述微晶纤维素的网络结构搭接，即得到所述模板。3.根据权利要求2所述的具有高透气柔性的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述微晶纤维素溶液配置方法包括采用沉降、分离的方法获取不同粒径的微晶纤维素，将微晶纤维素原料加入水中，超声处理震荡混合均匀后转移至量筒中，静置待微晶纤维素根据粒径沉降完全后，根据粒径大小的需要将量筒中液体按照相同间隔的刻度按份取出，通过控制静置时间和取样刻度的间隔来控制粒径大小及粒径范围，将取出待用粒径的样品离心分层、统计粒径大小，最后得到不同粒径的所述微晶纤维素；和/或，所述微晶纤维素的粒径范围为4～200μm；和/或，所述滤膜为混合纤维素(mce)滤膜。4.根据权利要求2所述的具有高透气柔性的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述微晶纤维素倒在所述滤膜的表面的比重为x(mg
·
cm-2
)，其中，x＝(0，6]。5.根据权利要求1所述的具有高透气柔性的气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将碳纸浆料经前处理，滴加在所述模板的微晶纤维素网状结构上，所述碳纸浆料渗透进入所述模板中，通过真空抽滤的方法将所述碳纸浆料的水分抽干，然后从mce滤膜上揭下，得到碳纸前体；将所述碳纸前体热处理后得到所述气体扩散层。6.根据权利要求5所述的具有高透气柔性气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述碳纸浆料的前处理步骤包括将所述碳纸浆料进行加入疏水剂，进行超声处理10～30min；优选地，所述疏水剂为聚四氟乙烯。7.根据权利要求5所述的具有高透气柔性气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述碳纸浆料为短切碳纤维浆料、碳纳米纤维浆料、单壁碳纳米管纤维(swcnt)浆料和多壁碳纳米管纤维(mwcnt)浆料的混合浆料；和/或，所述碳纸浆料中，所述碳纸浆料中，短切碳纤维浆料：碳纳米纤维浆料质量比为4∶1；swcnt浆料和mwcnt浆料质量比为1∶1；和/或，短切碳纤维浆料、碳纳米纤维浆料、swcnt浆料和mwcnt浆料按照质量比为24∶6∶5∶5进行混合。8.根据权利要求1-7任一项所述的具有高透气柔性气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.碳纸浆料的制备；分别将短切碳纤维、碳纳米纤维、单壁碳纳米管纤维(swcnt)和多壁碳纳米管纤维(mwcnt)分散后按照比例混合，加入疏水剂，超声处理得到所述碳纸浆料；s2.模板的制备；根据需要选择微晶纤维素的粒径，配置成微晶纤维素溶液后缓慢倒在滤膜上，通过真空抽滤将所述微晶纤维素溶液的水分抽干后形成网状结构，所述滤膜与所述微晶纤维素的网络结构搭接，即得到所述模板；s3.气体扩散层的制备；将s1制备的所述碳纸浆料缓慢滴加在s2制备的所述模板上，所述碳纸浆料渗透进入所述微晶纤维素的网状结构内部，通过真空抽滤将所述碳纸浆料抽干，干燥后从mce滤膜上揭下后放入马弗炉中热处理，除去所述微晶纤维素和其他杂质，即
得到所述气体扩散层；和/或，所述热处理的条件为200～500℃高温煅烧10～60min。9.一种气体扩散层，采用权利要求1-8任一项所述的具有高透气柔性气体扩散层的制备方法制备得到。10.一种燃料电池，包含采用权利要求1-8任一项所述的具有高透气柔性的气体扩散层的制备方法制备得到的气体扩散层或如权利要求9所述的气体扩散层。

技术总结

本发明提供了一种高透气柔性气体扩散层及其制备方法，采用微晶纤维素为模板，将碳纸浆料加入所述模板中，通过真空抽滤的方法将碳纸浆料的水分抽干后，通过高温煅烧得到所述气体扩散层。采用本发明技术方案制备的气体扩散层，采用了碳纳米管作为碳纤维的填充，通过调整微晶纤维素的添加量和粒径来调控气体扩散层的孔隙率，得到的气体扩散层碳纸具有高透气、柔性的优点，同时因为气体扩散层完全使用碳材料制备而成，碳纸的导电性能良好，能很好满足柔性燃料电池的需要。满足柔性燃料电池的需要。满足柔性燃料电池的需要。