本申請(qǐng)涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種燃料電池氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池是一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，其核心部件膜電極三合一通常由氣體擴(kuò)散層、催化劑層和質(zhì)子交換膜通過熱壓工藝制備而成。
氣體擴(kuò)散膜由導(dǎo)電的多孔材料組成，起到支撐催化層、收集電流、傳導(dǎo)氣體和排出水等多重作用，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)氣體和產(chǎn)物水在流場和催化層之間的再分配，是影響電極性能的關(guān)鍵部件之一，理想的氣體擴(kuò)散層應(yīng)滿足3個(gè)條件：良好的排水性、良好的透氣性和良好的導(dǎo)電性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種燃料電池氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，以解決上述提出問題。
本發(fā)明的實(shí)施例中提供了一種燃料電池氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，該氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)厚度為4mm，包括一基底層和一微孔層，基底層的一側(cè)具有氣體流道，另一側(cè)與微孔層相連，基底層的材質(zhì)為金屬纖維氈，微孔層上具有銅-石墨烯復(fù)相膜，該銅-石墨烯復(fù)相膜的主要成分為銅顆粒、石墨烯、納晶纖維素、聚苯胺、碳納米管、tio2納米粒子。
本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：
本發(fā)明在氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的微孔層上設(shè)有銅-石墨烯復(fù)相膜，石墨烯作為所有碳材料的最基本結(jié)構(gòu)單元，具有真正的單原子層厚度和嚴(yán)格的二維結(jié)構(gòu)，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、彈性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性，石墨烯是一種物化性能十分優(yōu)異的新型材料，該銅-石墨烯復(fù)相膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好、排水性、透氣性、接觸電阻低的優(yōu)點(diǎn)。
本申請(qǐng)附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本申請(qǐng)的實(shí)踐了解到。應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本申請(qǐng)。
附圖說明
利用附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但附圖中的實(shí)施例不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖。
圖1是本發(fā)明氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中，1-基底層，2-微孔層，11-氣體流道。
具體實(shí)施方式
這里將詳細(xì)地對(duì)示例性實(shí)施例進(jìn)行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時(shí)，除非另有表示，不同附圖中的相同數(shù)字表示相同或相似的要素。以下示例性實(shí)施例中所描述的實(shí)施方式并不代表與本發(fā)明相一致的所有實(shí)施方式。相反，它們僅是與如所附權(quán)利要求書中所詳述的、本發(fā)明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。
本申請(qǐng)的實(shí)施例涉及一種燃料電池氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)，該氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)厚度為4mm，包括一基底層1和一厚度為0.2mm的微孔層2，基底層1的一側(cè)具有深度為2.5mm的氣體流道11，另一側(cè)與微孔層2相連，基底層1的材質(zhì)為金屬纖維氈，微孔層2上具有銅-石墨烯復(fù)相膜，該銅-石墨烯復(fù)相膜的主要成分為銅顆粒、石墨烯、納晶纖維素、聚苯胺、碳納米管、tio2納米粒子。
本申請(qǐng)技術(shù)方案中，在氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的微孔層2上設(shè)有銅-石墨烯復(fù)相膜，石墨烯作為所有碳材料的最基本結(jié)構(gòu)單元，具有真正的單原子層厚度和嚴(yán)格的二維結(jié)構(gòu)，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、彈性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性，石墨烯是一種物化性能十分優(yōu)異的新型材料，該銅-石墨烯復(fù)相膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好、排水性、透氣性、接觸電阻低的優(yōu)點(diǎn)。
就石墨烯或者還原的氧化石墨烯(rgo)而言，由于石墨烯片層間的強(qiáng)范德華力，使其在溶液中非常容易發(fā)生團(tuán)聚，不利于其整體性能的發(fā)揮，基于此，本申請(qǐng)?jiān)谑┤芤褐刑砑恿思{晶纖維素和聚苯胺，納晶纖維素和聚苯胺與石墨烯之間形成的氫鍵以及靜電力相互作用，并且，一部分納晶纖維素和聚苯胺有可能穿插在石墨烯片層之間，使得納晶纖維素、聚苯胺、石墨烯能在溶液中良好分散。
此外，上述的碳納米管、tio2納米粒子作為納米填料，可以有效提高所述銅-石墨烯復(fù)相膜的強(qiáng)度、導(dǎo)電性、疏水性等。
優(yōu)選地，所述銅-石墨烯復(fù)相膜中，銅顆粒粒徑為0.05mm，石墨烯片的厚度為0.05mm。
本申請(qǐng)的技術(shù)方案中，該銅-石墨烯復(fù)相膜中包含碳納米管，碳納米管的質(zhì)量百分比為2～5％。
碳納米管是一種重要的一維納米材料，具有多方面的優(yōu)異性能，可看成是由片層結(jié)構(gòu)的石墨卷成的無縫中空的納米級(jí)同軸圓柱體，其耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，熱穩(wěn)定性好，其軸向?qū)щ娦粤己茫趫鲋码娮影l(fā)射、儲(chǔ)氫等方面具有廣泛應(yīng)用；本申請(qǐng)技術(shù)方案中，在銅-石墨烯復(fù)相膜中添加碳納米管，使得銅-石墨烯復(fù)相膜表現(xiàn)優(yōu)異的導(dǎo)電性、強(qiáng)度、韌性。
本申請(qǐng)的技術(shù)方案中，該銅-石墨烯復(fù)相膜中包含tio2納米粒子，tio2納米粒子的質(zhì)量百分比為2～5％，tio2納米粒子的粒徑為20nm。
tio2是一種重要的半導(dǎo)體材料，納米tio2具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，通常用于抗腐蝕材料、光催化材料等。作為光催化劑材料，tio2具有光降解有機(jī)物、催化殺菌等作用，納米tio2在一定波長的光照下能使有機(jī)物發(fā)生降解；本申請(qǐng)技術(shù)方案中，在銅-石墨烯復(fù)相膜中添加tio2納米粒子，該tio2納米粒子在其中均勻分布，使得銅-石墨烯復(fù)相膜表現(xiàn)優(yōu)異的抗菌性。
本申請(qǐng)所述氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的制備方法如下：
步驟1，切削制備金屬纖維：將金屬纖維填充至40.00mm×30.00mm×4.35mm的矩形模具中，加壓后采用低溫固相燒結(jié)法制備形成金屬纖維氈；
上述金屬纖維氈的直徑為0.03mm，長度為10mm；
步驟2，制備基底層：
將上述金屬纖維氈浸入熔融態(tài)聚四氟乙烯后取出冷卻至室溫形成金屬纖維氈-聚四氟乙烯復(fù)合材料，然后在聚四氟乙烯的保護(hù)下于其中一側(cè)銑削出氣體流道，然后在真空高溫?zé)Y(jié)下部分去除聚四氟乙烯的同時(shí)完成憎水性處理，獲得一側(cè)具有氣體流道的基底層；
步驟3，制備微孔層：
a)首先，采用改進(jìn)的hummers法制備氧化石墨烯(go)，然后將制備好的氧化石墨烯(go)水相分散液、納晶纖維素水相分散液分別稀釋至1mg/mg、3mg/ml，將其分別超聲分散1h，各取50ml加入到燒瓶中混合，然后加入0.45g的聚苯胺，超聲分散3h，再加入0.8ml的水合肼，90℃下磁力攪拌反應(yīng)5h后，旋蒸至合適濃度，烘干，即得還原氧化石墨烯(rgo)；
b)將n,n-二甲基甲酰胺和丙酮按照體積比為6：7混合作為溶劑，然后加入上述中輔助還原的氧化石墨烯粉末，得到濃度為0.3wt％的石墨烯復(fù)合分散液然后加入碳納米管、tio2納米粒子，超聲分散3h；
c)將基底層的另一側(cè)浸入溫度為50℃的鍍銅溶液中進(jìn)行表面化學(xué)鍍銅30min，接著于乙醇中超聲清洗，然后浸入上述石墨烯復(fù)合分散液中，沉淀石墨烯片40min，獲得銅-石墨烯復(fù)相膜；
d)重復(fù)c步驟，直至獲得指定厚度的銅-石墨烯復(fù)相膜，制得所述微孔層。
實(shí)施例1
本申請(qǐng)所述氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的制備方法如下：
步驟1，切削制備金屬纖維：將金屬纖維填充至40.00mm×30.00mm×4.35mm的矩形模具中，加壓后采用低溫固相燒結(jié)法制備形成金屬纖維氈；
上述金屬纖維氈的直徑為0.03mm，長度為10mm；
步驟2，制備基底層：
將上述金屬纖維氈浸入熔融態(tài)聚四氟乙烯后取出冷卻至室溫形成金屬纖維氈-聚四氟乙烯復(fù)合材料，然后在聚四氟乙烯的保護(hù)下于其中一側(cè)銑削出氣體流道，然后在真空高溫?zé)Y(jié)下部分去除聚四氟乙烯的同時(shí)完成憎水性處理，獲得一側(cè)具有氣體流道的基底層；
步驟3，制備微孔層：
a)首先，采用改進(jìn)的hummers法制備氧化石墨烯(go)，然后將制備好的氧化石墨烯(go)水相分散液、納晶纖維素水相分散液分別稀釋至1mg/mg、3mg/ml，將其分別超聲分散1h，各取50ml加入到燒瓶中混合，然后加入0.45g的聚苯胺，超聲分散3h，再加入0.8ml的水合肼，90℃下磁力攪拌反應(yīng)5h后，旋蒸至合適濃度，烘干，即得還原氧化石墨烯(rgo)；
b)將n,n-二甲基甲酰胺和丙酮按照體積比為6：5混合作為溶劑，然后加入上述中輔助還原的氧化石墨烯粉末，得到濃度為0.3wt％的石墨烯復(fù)合分散液，然后再加入一定量的碳納米管、tio2納米粒子，超聲分散3h；
c)將基底層的另一側(cè)浸入溫度為50℃的鍍銅溶液中進(jìn)行表面化學(xué)鍍銅30min，接著于乙醇中超聲清洗，然后浸入上述石墨烯復(fù)合分散液中，沉淀石墨烯片40min，獲得銅-石墨烯復(fù)相膜；
d)重復(fù)c步驟，直至獲得指定厚度的銅-石墨烯復(fù)相膜，制得所述微孔層。
本實(shí)施例的該銅-石墨烯復(fù)相膜中，tio2納米粒子的質(zhì)量百分比為2％，碳納米管的質(zhì)量百分比為2％。
實(shí)施例2
本申請(qǐng)所述氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的制備方法如下：
步驟1，切削制備金屬纖維：將金屬纖維填充至40.00mm×30.00mm×4.35mm的矩形模具中，加壓后采用低溫固相燒結(jié)法制備形成金屬纖維氈；
上述金屬纖維氈的直徑為0.03mm，長度為10mm；
步驟2，制備基底層：
將上述金屬纖維氈浸入熔融態(tài)聚四氟乙烯后取出冷卻至室溫形成金屬纖維氈-聚四氟乙烯復(fù)合材料，然后在聚四氟乙烯的保護(hù)下于其中一側(cè)銑削出氣體流道，然后在真空高溫?zé)Y(jié)下部分去除聚四氟乙烯的同時(shí)完成憎水性處理，獲得一側(cè)具有氣體流道的基底層；
步驟3，制備微孔層：
a)首先，采用改進(jìn)的hummers法制備氧化石墨烯(go)，然后將制備好的氧化石墨烯(go)水相分散液、納晶纖維素水相分散液分別稀釋至1mg/mg、3mg/ml，將其分別超聲分散1h，各取50ml加入到燒瓶中混合，然后加入0.45g的聚苯胺，超聲分散3h，再加入0.8ml的水合肼，90℃下磁力攪拌反應(yīng)5h后，旋蒸至合適濃度，烘干，即得還原氧化石墨烯(rgo)；
b)將n,n-二甲基甲酰胺和丙酮按照體積比為6：5混合作為溶劑，然后加入上述中輔助還原的氧化石墨烯粉末，得到濃度為0.3wt％的石墨烯復(fù)合分散液，然后再加入一定量的碳納米管、tio2納米粒子，超聲分散3h；
c)將基底層的另一側(cè)浸入溫度為50℃的鍍銅溶液中進(jìn)行表面化學(xué)鍍銅30min，接著于乙醇中超聲清洗，然后浸入上述石墨烯復(fù)合分散液中，沉淀石墨烯片40min，獲得銅-石墨烯復(fù)相膜；
d)重復(fù)c步驟，直至獲得指定厚度的銅-石墨烯復(fù)相膜，制得所述微孔層。
本實(shí)施例的該銅-石墨烯復(fù)相膜中，tio2納米粒子的質(zhì)量百分比為3％，碳納米管的質(zhì)量百分比為3％。
實(shí)施例3
本申請(qǐng)所述氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的制備方法如下：
步驟1，切削制備金屬纖維：將金屬纖維填充至40.00mm×30.00mm×4.35mm的矩形模具中，加壓后采用低溫固相燒結(jié)法制備形成金屬纖維氈；
上述金屬纖維氈的直徑為0.03mm，長度為10mm；
步驟2，制備基底層：
將上述金屬纖維氈浸入熔融態(tài)聚四氟乙烯后取出冷卻至室溫形成金屬纖維氈-聚四氟乙烯復(fù)合材料，然后在聚四氟乙烯的保護(hù)下于其中一側(cè)銑削出氣體流道，然后在真空高溫?zé)Y(jié)下部分去除聚四氟乙烯的同時(shí)完成憎水性處理，獲得一側(cè)具有氣體流道的基底層；
步驟3，制備微孔層：
a)首先，采用改進(jìn)的hummers法制備氧化石墨烯(go)，然后將制備好的氧化石墨烯(go)水相分散液、納晶纖維素水相分散液分別稀釋至1mg/mg、3mg/ml，將其分別超聲分散1h，各取50ml加入到燒瓶中混合，然后加入0.45g的聚苯胺，超聲分散3h，再加入0.8ml的水合肼，90℃下磁力攪拌反應(yīng)5h后，旋蒸至合適濃度，烘干，即得還原氧化石墨烯(rgo)；
b)將n,n-二甲基甲酰胺和丙酮按照體積比為6：5混合作為溶劑，然后加入上述中輔助還原的氧化石墨烯粉末，得到濃度為0.3wt％的石墨烯復(fù)合分散液，然后再加入一定量的碳納米管、tio2納米粒子，超聲分散3h；
c)將基底層的另一側(cè)浸入溫度為50℃的鍍銅溶液中進(jìn)行表面化學(xué)鍍銅30min，接著于乙醇中超聲清洗，然后浸入上述石墨烯復(fù)合分散液中，沉淀石墨烯片40min，獲得銅-石墨烯復(fù)相膜；
d)重復(fù)c步驟，直至獲得指定厚度的銅-石墨烯復(fù)相膜，制得所述微孔層。
本實(shí)施例的該銅-石墨烯復(fù)相膜中，tio2納米粒子的質(zhì)量百分比為4％，碳納米管的質(zhì)量百分比為4％。
實(shí)施例4
本申請(qǐng)所述氣體擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)的制備方法如下：
步驟1，切削制備金屬纖維：將金屬纖維填充至40.00mm×30.00mm×4.35mm的矩形模具中，加壓后采用低溫固相燒結(jié)法制備形成金屬纖維氈；
上述金屬纖維氈的直徑為0.03mm，長度為10mm；
步驟2，制備基底層：
將上述金屬纖維氈浸入熔融態(tài)聚四氟乙烯后取出冷卻至室溫形成金屬纖維氈-聚四氟乙烯復(fù)合材料，然后在聚四氟乙烯的保護(hù)下于其中一側(cè)銑削出氣體流道，然后在真空高溫?zé)Y(jié)下部分去除聚四氟乙烯的同時(shí)完成憎水性處理，獲得一側(cè)具有氣體流道的基底層；
步驟3，制備微孔層：
a)首先，采用改進(jìn)的hummers法制備氧化石墨烯(go)，然后將制備好的氧化石墨烯(go)水相分散液、納晶纖維素水相分散液分別稀釋至1mg/mg、3mg/ml，將其分別超聲分散1h，各取50ml加入到燒瓶中混合，然后加入0.45g的聚苯胺，超聲分散3h，再加入0.8ml的水合肼，90℃下磁力攪拌反應(yīng)5h后，旋蒸至合適濃度，烘干，即得還原氧化石墨烯(rgo)；
b)將n,n-二甲基甲酰胺和丙酮按照體積比為6：5混合作為溶劑，然后加入上述中輔助還原的氧化石墨烯粉末，得到濃度為0.3wt％的石墨烯復(fù)合分散液，然后再加入一定量的碳納米管、tio2納米粒子，超聲分散3h；
c)將基底層的另一側(cè)浸入溫度為50℃的鍍銅溶液中進(jìn)行表面化學(xué)鍍銅30min，接著于乙醇中超聲清洗，然后浸入上述石墨烯復(fù)合分散液中，沉淀石墨烯片40min，獲得銅-石墨烯復(fù)相膜；
d)重復(fù)c步驟，直至獲得指定厚度的銅-石墨烯復(fù)相膜，制得所述微孔層。
本實(shí)施例的該銅-石墨烯復(fù)相膜中，tio2納米粒子的質(zhì)量百分比為5％，碳納米管的質(zhì)量百分比為5％。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳方式，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。