[发明专利]一种双层微孔层式气体扩散层制备方法

说明书

本发明属于气体扩散层制备技术领域，具体涉及一种双层微孔层式气体扩散层制备方法，工艺过程包括疏水化处理、配制浆料和制备双层微孔层共三个步骤，通过是否添加造孔剂制备孔径梯度化变化的双层微孔层结构，在靠近支撑层的微孔层中加入造孔剂，提高孔隙率和改变孔径结构，靠近催化层侧的微孔层采用碳黑和PTFE来制备，具有以下优点：(1)与常规气体扩散层相比，具有更高的电流密度和功率密度，制备的燃料电池性能更稳定；(2)制备过程相对简单，成本较低，适合大规模生产；(3)重复性好，带有梯度化孔径微孔层制备过程可重复，使得燃料电池性能重复性较高，提高了燃料电池的水管理能力。

技术领域：

本发明属于气体扩散层制备技术领域，具体涉及一种双层微孔层式气体扩散层制备方法，制备用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层，以提高燃料电池的水管理能力。

背景技术：

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以将燃料中的化学能直接转化为电能，是一种能量转换装置，以H₂为燃料，空气或O₂为氧化剂，不受卡诺循环的限制，具有更高的效率，更低的污染排放，目前，已在新能源汽车方面的发展越来越受到人们的关注。同时，燃料电池在移动电源，发电等领域都有明显的推广，具有广阔的应用前景。膜电极(MEA)是燃料电池系统中的核心部件，如图1所示，包括质子交换膜(PEM)，催化层(CL)和气体扩散层(GDL)。其中，气体扩散层(GDL)的作用是支撑催化层、收集电流，并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道，气体扩散层(GDL)的结构如图2所示，与气体流道相连的是支撑层(SL)，需要具有良好的导电性，足够的机械强度和一定的水气管理功能，支撑层常用的材料是商品碳纸或碳布，支撑层中80％以上的孔的孔径大于20um，厚度约为100-300um，支撑层上方的微孔层(MPL)与催化层相连，微孔层 (MPL)一般由导电材料碳粉和疏水剂PTFE制备而成，孔径一般为数十纳米到数百纳米，厚度为10-100um，具有一定的水管理能力，微孔层(MPL)表面光滑，可以降低催化层与支撑层之间的接触电阻。

气体扩散层(GDL)的微孔层对于燃料电池水管理能力和性能的提升起到了十分重要的作用。中国专利201710573636.9公开的一种质子交换膜燃料电池气体扩散层微孔层及其制备方法，在疏水处理后的支撑层表面刮涂或喷涂含有机硅氧烷和碳纳米材料的有机溶剂，通过微孔层界面微纳结构和包覆层形成质子交换膜燃料电池气体扩散层微孔层；其中，有机硅氧烷和碳纳米材料的用量比例为10wt％ -100wt％，表明了靠近催化层一侧涂覆有微孔层的气体扩散层可以有效地改善燃料电池的水管理能力，从而提高电池的性能；中国专利 201910373844.3公开的一种面向高电流密度的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，首先对基底层进行疏水、干燥处理，然后利用炭粉、溶剂、疏水剂、造孔剂配制浆料，接着采用刮涂法使浆料均匀附着在基底层上并达到一定载量，最后烘干、烧结得到气体扩散层；基于造孔剂的加入，得到的气体扩散层的微孔层表面形成了许多裂纹，有效保证气体和水透过，提高了气体扩散层的水管理能力，减少了膜电极在高电流密度下的浓差极化，提高了质子交换膜燃料电池性能。但是，现有技术中的微孔层普遍存在孔隙结构不合理，关于孔径的研究，相对较少。因此，探索一种针对气体扩散层孔径的新结构和制备工艺方法来加快电化学反应过程，提高输出电流密度，改善燃料电池在大功率密度下的水管理能力，具有重要的意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种双层微孔层式气体扩散层制备方法，以提高燃料电池的水管理能力。

为了实现上述目的，本发明涉及的双层微孔层式气体扩散层制备方法的工艺过程包括疏水化处理、配制浆料和制备双层微孔层共三个步骤：

(一)疏水化处理：对商用碳纸进行梳水化处理，得到支撑层；

梳水化处理的过程是：在质量分数为60％的聚四氟乙烯(PTFE) 水乳液中加入去离子水稀释，得到质量分数为20％的PTFE水乳液，将碳纸放入PTFE乳液中浸泡20min后置于温度为350℃的管式炉中烧结30min；