[发明专利]气体扩散层的制备方法、膜电极和燃料电池

说明书

本发明提供一种气体扩散层的制备方法、膜电极和燃料电池，制备方法包括以下步骤：S1，将第一导电碳材料、疏水剂和表面活性剂按预设配比通过行星式搅拌的方式配置成第一浆料，第一导电碳材料包括至少两种粒径范围的炭黑；S2，将配置好的第一浆料涂覆在经疏水处理的基材上，晾干形成第一涂覆层；S3，在第一涂覆层上涂覆由第二导电碳材料、疏水剂、表面活性剂和碳纳米管分散液组成的第二浆料，晾干形成第二涂覆层；S4，对形成有第一涂覆层和第二涂覆层的基材热处理，以使第一涂覆层形成为第一微孔层，第二涂覆层形成为第二微孔层。通过该方法制备气体扩散层，不需要使用造孔剂，因此无需后续的酸洗环节，节省了成本还提高了制作效率。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种气体扩散层的制备方法、膜电极和燃料电池。

背景技术

在燃料电池中，气体扩散层的首要任务是传送反应气体，确保足够的反应物质快速和均匀的扩散至催化层。一方面，气体扩散层需将生成的液态水快速的排出，以避免液态水阻塞反应物扩散通道引起传质极化增加，另一方面，排水特性需最佳设计，若排水能力过强，在低湿度条件下，将导致质子膜过渡干燥产生“脱水”现象，质子传导率下降。

相关技术中，气体扩散层的微孔层是一层由碳粉和疏水剂组成的微孔隙结构，普遍存在孔径分布和孔隙结构不合理的现象，特别在干工况条件下(30％RH)，电流密度较小的情况，靠近阳极侧扩散层保水能力差致使质子膜出现脱水，导致质子传导率降低，欧姆极化大和功率密度快速衰减。然而，相关技术中针对干工况下，阳极侧扩散层中微孔层的孔隙及孔径分布的结构设计研究较少。因此，精准设计一种针对阳极侧气体扩散层孔隙和孔径结构来改善燃料电池在干工况下的水管理，具有重要的研究价值。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

气体扩散层的微孔层的厚度和孔隙率对燃料电池的性能有着重要的影响，微孔层的厚度直接影响产物水的传输速率、气体扩散层的导电特性以及机械强度；较厚的微孔层在干工况下可避免质子膜脱水干燥，降低接触电阻，但较厚的微孔层导致大电密下出现传质限制。相反，高湿工况下薄的微孔层表现出较优的性能。因此，气体扩散层的设计和选型过程中应从优化水气管理能力出发对结构进行专门的设计和调整，精准控制孔隙率和孔径分布，即需要足够的水分保持质子膜润湿，也要避免水分积聚阻碍气体传输。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：

S1，将第一导电碳材料、疏水剂和表面活性剂按预设配比通过行星式搅拌的方式配置成第一浆料，所述第一导电碳材料包括至少两种粒径范围的炭黑；

S2，将配置好的所述第一浆料涂覆在经疏水处理的基材上，晾干形成第一涂覆层；

S3，在所述第一涂覆层上涂覆由第二导电碳材料、疏水剂、表面活性剂和碳纳米管分散液组成的第二浆料，晾干形成第二涂覆层；

S4，对形成有第一涂覆层和第二涂覆层的基材热处理，以使所述第一涂覆层形成为第一微孔层，所述第二涂覆层形成为第二微孔层。

本发明实施例的气体扩散层的制备方法至少具有以下技术效果：由于S1中第一导电碳材料包括至少两种粒径范围的炭黑，因此，炭黑颗粒之间能够在不使用造孔剂的情况下具备形成空隙的条件；同理，在S3中，通过添加第二导电碳材料和碳纳米管，使得炭黑颗粒和碳纳米管之间能够在不使用造孔剂的情况下具备形成空隙的条件；从而通过对形成有第一涂覆层和第二涂覆层的基材热处理即可使第一涂覆层形成为第一微孔层，第二涂覆层形成为第二微孔层。由于本方案中没有使用造孔剂，因此无需后续的酸洗环节，节省了成本还提高了制作效率。

可选的，在所述S1中，所述第一导电碳材料包括两种粒径范围的炭黑，第一种炭黑的粒径范围为25-100nm，第二种炭黑的粒径范围为1-5um。