[发明专利]一种孔径梯度化微孔层式气体扩散层的制备方法

说明书

本发明属于微孔层制备技术领域，具体涉及一种孔径梯度化微孔层式气体扩散层的制备方法，工艺过程包括配制浆料、喷涂浆料和制备双层微孔层共三个步骤，首先，分别利用不同种类的碳黑、无水乙醇和疏水剂配制成成分均匀的一号浆料和二号浆料，然后，将一号浆料喷涂在支撑层上形成微孔层1，将二号浆料喷涂在微孔层1上形成微孔层2，最后，至于管式炉中烘干后烧结，得到孔径梯度化的气体扩散层；其操作过程简单，所需的原料较少，从催化层到支撑层，孔径呈现增大的趋势，有利于水的管理，增大了微孔层与CCM的接触面积，减小了接触电阻，不仅能够降低传质阻力，而且能够提高燃料电池的性能。

技术领域：

本发明属于微孔层制备技术领域，具体涉及一种孔径梯度化微孔层式气体扩散层的制备方法，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：

气体扩散层(GDL)是燃料电池的重要组成部分，位于催化层和集流板之间，是支撑催化层和收集电子的重要结构，同时为电极反应提供气体、质子、电子、和水等多相通道。GDL通常由支撑层和微孔层组成。支撑层使用的材料一般是碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布和碳黑纸，其厚度约为100-300um，一般都为大于20um孔径的大孔；微孔层是为了改善支撑层孔隙率、孔结构而在其表面制备的一层导电碳粉层，由导电碳黑和疏水剂组成，其厚度约为10-100um，孔径较支撑层小，为数十纳米到数百纳米。微孔层的添加降低了催化层和支撑层之间的接触电阻，改善了气体和水的再分配，防止电极催化剂发生“水淹”。

燃料电池反应会在阴极催化层表面生成产物水，其中，水蒸气主要以扩散的方式传质，液态水的传质驱动力是毛细压。随着燃料电池运行时间的延长或以较大的电流密度工作时，大量产物水凝聚成液态形式，液态水大量的累积如果不能及时排出会阻碍氧气或空气向催化层的传质能力，即发生了阴极“水淹”现象。

中国专利201610867661.3公开的一种提高燃料电池性能的双层微孔层制备方法包括如下步骤：S1、将高导电性材料、造孔剂、疏水剂和分散液通过搅拌的方式配制成预设成分均匀的第一浆料；S2、将配制好的第一浆料通过丝网印刷的方式涂覆在经疏水处理的碳纸或碳布上形成第一涂覆层；S3、在经步骤S2涂覆后的碳纸或碳布表面再通过喷涂的方式喷涂预设厚度的由高导电性材料、疏水剂和分散液组成的第二浆料，形成第二喷涂层；S4、经步骤S3后的碳纸或碳布通过热处理后，第一涂覆层和第二喷涂层经高温焙烧形成第一微孔层和第二微孔层，使其具有疏松多孔且亲疏水性的气体反应通道；所述步骤S1的第一浆料配制方法如下：将预设量的高导电性材料与分散液混合搅拌均匀，量取预定量的造孔剂倒入上述高导电性材料与分散液的混合物中搅拌均匀，再加入预定量的疏水剂至上述高导电性材料、分散液与造孔剂的混合物中搅拌均匀，制成粘度为200cp-400cp的第一浆料；其中，所述高导电性材料与造孔剂的质量比为1:0.5-1:1.5；所述疏水剂为聚四氟乙烯水分散液，其中，聚四氟乙烯的含量与高导电性材料的质量比为1:1-1:9；所述步骤S3中的第二浆料配制方法同所述步骤S1的第一浆料的配制方法，不同之处在于第二浆料中不含造孔剂，第二浆料的粘度为30cp-60cp，第二喷涂层的厚度为5μm-15μm；其制备的气体扩散层在一定程度上提高了燃料电池的性能，但是，存在操作过程复杂，所需原材料种类较多，不利于大规模的生产。因此，一种孔径梯度化微孔层式气体扩散层的制备方法，采用粒径不同的导电碳材料制备孔径梯度化的双层微孔层结构，提高燃料电池的水管理能力，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，研发设计一种孔径梯度化微孔层式气体扩散层的制备方法，制备孔径从催化层到支撑层逐层扩大的气体扩散层，以提高燃料电池的水管理能力。

为了实现上述目的，本发明涉及的孔径梯度化微孔层式气体扩散层的制备方法的工艺过程包括配制浆料、喷涂浆料和制备双层微孔层共三个步骤：

(一)配制浆料：将两种不同种类的碳粉分别与无水乙醇和疏水剂混合配制成一号浆料和二号浆料；