[发明专利]一种气体扩散层、膜电极组件、燃料电池及制备方法

说明书

本申请实施例提供一种气体扩散层、膜电极组件、燃料电池及制备方法，涉及燃料电池领域。气体扩散层的制备方法主要是将分散混合物均匀覆盖至基底层的表面形成覆盖层，分散混合物包括碳材料、憎水物、水和有机溶剂，并控制覆盖层的固含量为50wt％～99wt％，得到预处理层；将预处理层冷却至覆盖层中的溶剂凝固，再热处理至覆盖层中的溶剂挥发。气体扩散层中的微孔层的孔隙均匀，且几乎无杂质残留，产品性能好。

技术领域

本申请涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种气体扩散层、膜电极组件、燃料电池及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，简称PEMFC)具有绿色环保、能量密度高、发电效率高、启动速度快等优点，被认为是最具潜力的未来车用动力源之一。膜电极组件(Membrane Electrode Assemblies，简称MEA)是质子交换膜燃料电池中至关重要的部分，它包括质子交换膜、催化层和气体扩散层(Gas Diffusion Layer，简称GDL)。气体扩散层一般由基底层(GB)和微孔层(MPL)组成，基底层主要起支撑以及集流的作用，而微孔层则负责减少催化层和气体扩散层之间的接触电阻并进行有效的水管理。目前，燃料电池的一个重要发展方向是低加湿和高电流密度，随之而来的是对微孔层的要求越来越高。

微孔层一般采用导电碳粉和作为粘结剂的聚四氟乙烯(PTFE)制成，由于微孔层的孔结构会对燃料电池的性能有直接的影响，为了增大孔隙率，目前常用的方法是在制备微孔层的过程中添加造孔剂。但是通过添加造孔剂的方法容易造孔不均，主要是因为使用造孔剂很难控制造孔均匀度，也无法有效控制孔径分布；而且造孔剂不能完全去除，存在杂质残留的问题，燃料电池对杂质敏感性很高，微量的杂质残留也会对燃料电池的长期使用造成影响。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种气体扩散层、膜电极组件、燃料电池及制备方法，微孔层的孔隙均匀，且几乎无杂质残留，产品性能好。

第一方面，本申请实施例提供了一种气体扩散层的制备方法，其包括以下步骤：

将分散混合物均匀覆盖至基底层的表面形成覆盖层，分散混合物包括碳材料、憎水物、水和有机溶剂，并控制覆盖层的固含量为50wt％～99wt％，得到预处理层；

将预处理层冷却至覆盖层中的溶剂凝固，再热处理至覆盖层中的溶剂挥发。

在上述技术方案中，分散混合物中的碳材料、憎水物均匀分散于溶剂中，相对的，溶剂也是均匀分散于整个体系中，先采用分散混合物形成覆盖层，并控制覆盖层的固含量达到一定程度，再采用冷冻造孔的方法，先冷却至覆盖层中的溶剂(可以为不含水的有机溶剂，也可以为有机溶剂和水的混合溶液)凝固，再热处理至溶剂挥发形成均匀的孔隙，从而得到孔隙均匀的微孔层。该方法需要添加额外的造孔剂，利用溶剂先凝固、再挥发形成有效孔结构，且溶剂全部挥发后可以保证无杂质残留。

本申请实施例先控制覆盖层的固含量达到一定程度，是因为溶剂含量会直接影响冷冻后溶剂凝固后的体积量，最终影响产品的孔隙率。固含量过高会导致溶剂量过少，凝固体积过小，对提升孔隙率没有帮助；固含量过低，溶剂凝固后体积过大，会导致最终产品孔隙太大且分布不均匀，影响一致性，更严重会影响产品成型。

在一种可能的实现方式中，基底层进行憎水化处理后再使用；

可选地，憎水化处理采用的憎水物的用量为基底层的5wt％～20wt％；

可选地，憎水化处理的条件为：于160℃～380℃热处理10～600min。

在一种可能的实现方式中，憎水物为聚四氟乙烯和/或聚偏氟乙烯。

在一种可能的实现方式中，碳材料选自由碳黑、碳纤维、碳纳米管和石墨烯组成的组合中的至少一种；