一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料、气体扩散层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料、气体扩散层及其制备方法，该微孔层浆料至少包括第一浆料和第二浆料；其中，第一浆料的制备方法包括：将第一碳基材料、第一分散液、第一憎水剂乳液、第一聚苯乙烯微球搅拌均匀制备得到第一浆料；第二浆料的制备方法包括：将第二碳基材料、第二分散液、第二憎水剂乳液、第二聚苯乙烯微球搅拌均匀制备得到第二浆料；第一聚苯乙烯微球的粒径范围为5~20μm；第二聚苯乙烯微球的粒径范围为100nm~10μm；第一聚苯乙烯微球和第二聚苯乙烯微球的粒径不相同；微孔层浆料用于制备气体扩散层，提升了整个气体扩散层的气体传输和水管理能力，使得制备的质子交换膜燃料电池具有优异的性能。制备的质子交换膜燃料电池具有优异的性能。制备的质子交换膜燃料电池具有优异的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料、气体扩散层及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料、气体扩散层及其制备方法。

技术介绍

[0002]气体扩散层是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，简称PEMFC)中非常重要的一个部件，承担着双极板的压应力，保护催化层，促进气体均匀的扩散到催化层，排出水汽，传导电流的作用等多重作用。气体扩散层是由多孔碳纸、碳布、发泡金属等多孔导电材料构成的支撑层和以炭黑、石墨粉、聚四氟乙烯等材料涂覆形成的微孔层共同组成。微孔层紧挨着催化层，对于电子的传导，气体的均匀分布，水管理至关重要，并且根据一定设计对延长电池寿命也有一定良好作用。目前微孔层气体分布和水管理功能多是由不同的孔隙和疏水性物质来实现。其中孔隙的分布和大小对于电池在工作过程中水汽和气体的传质，功率密度的拉升，扮演着很关键的角色。
[0003]公开号CN 111009666 A专利公开了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。该技术存在如下不足：所用的造孔剂碳酸钙，在酸洗造孔过程中，工艺繁琐，且会存在碳酸钙，酸残留问题和钙离子的存在，对整个电池的性能和寿命，都会造成不利影响，尤其对活性催化层。且在制浆过程中碳酸钙几乎不溶于水，难溶于醇，分散性很差，出现沉降现象，导致起不到造孔的作用；所述用来浸泡微孔层以去除造孔剂的酸性溶液，易对微孔层产生腐蚀破坏，易破坏微孔层的孔隙结构。
[0004]公开号为CN111146467A的专利公开了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。该技术存在如下不足：使用不同粒径尺寸的导电碳材料，容易造成碳材料分散不均匀，孔隙大小不一，分布杂乱，并且喷涂法工艺不适用于大规模生产，效率和一致性均差。
[0005]公开号CN 110993965 A专利公开了一种气体扩散层中微孔层的制备方法，包括如下步骤，(1)获取至少两种浆料；(2)选择一个浆料涂布于基板的一侧；(3)对涂布后的浆料依次进行干燥、热压、烧结处理，形成微孔层；(4)选择另一浆料并将所述另一浆料涂布于微孔层远离所述基板的一侧；(5)对涂布后的另一浆料依次进行干燥、热压、烧结处理，形成另一微孔层；(6)重复上述步骤(4)至(5)，待浆料全部处理完后即制得全部微孔层，且沿远离所述基板的方向所述微孔层的孔隙率不断减小。该技术存在如下不足：机械热辊压法制备
孔隙，容易造成碳材料基底机械损伤，降低支撑层机械强度，同时孔隙率和孔隙大小难以控制。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术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，本专利技术实施例提出一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料、气体扩散层及制备方法。
[0007]本专利技术实施例一方面提供了一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料的制备方法，该质子交换膜燃料电池微孔层浆料至少包括第一浆料和第二浆料；其中第一浆料的制备方法，包括如下步骤：将第一碳基材料、第一分散液、第一憎水剂乳液、第一聚苯乙烯微球搅拌均匀制备得到第一浆料；第二浆料的制备方法，包括如下步骤：将第二碳基材料、第二分散液、第二憎水剂乳液、第二聚苯乙烯微球搅拌均匀制备得到第二浆料；所述第一聚苯乙烯微球的粒径范围为5~20μm；所述第二聚苯乙烯微球的粒径范围为100nm~10μm；且所述第一聚苯乙烯微球和所述第二聚苯乙烯微球的粒径不相同。
[0008]本专利技术实施例微孔层浆料的成分包括碳基材料、憎水剂乳液、分散剂以及不同尺寸的聚苯乙烯微球等。聚苯乙烯微球可以通过烧结一部分去除形成孔道和孔隙，实现双层或者多层微孔层梯度孔的设计，构建不同数量、不同孔径的孔隙和孔隙分布。一部分生成一定量的中空碳微球，此类碳微球具备毛细凝聚现象，利于质子交换膜燃料电池生成水的排出，这些形成的孔隙和中空碳微球可与憎水剂构建出良好的排水，保水和气体传输路径。综上，本专利技术实施例方法制备的微孔层浆料用于制备质子交换膜燃料电池的气体扩散层，提高整个气体扩散层的气体传输和水管理能力。
[0009]在一些实施例中，所述第一聚苯乙烯微球的粒径范围为10~20μm；所述第二聚苯乙烯微球的粒径范围为1~10μm。
[0010]在一些实施例中，所述第一浆料中，所述第一聚苯乙烯微球与第一碳基材料的质量比为：（0.01~0.15）:1。
[0011]在一些实施例中，所述第二浆料中，所述第二聚苯乙烯微球与第二碳基材料的质量比为：（0.01~0.23）:1。
[0012]在一些实施例中，所述第一碳基材料、所述第二碳基材料均为碳纳米纤维，炭黑，碳纳米管，石墨烯中的一种或多种的混合物。
[0013]在一些实施例中，所述第一憎水剂乳液、所述第二憎水剂乳液均为聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液、聚三氟氯乙烯乳液中的一种或多种的混合物。
[0014]在一些实施例中，所述第一分散液为含有第一分散剂的水溶液，所述第二分散液为含有第二分散剂的水溶液，所述第一分散剂、所述第二分散剂均为曲拉通X
‑
100。
[0015]在一些实施例中，所述第一浆料的制备方法，包括如下步骤：将第一分散剂加入水中，制得第一分散液，然后加入碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的混合物，搅拌均匀后，再加入第一憎水剂乳液，搅拌均匀后，再加入第一聚苯乙烯微球、甲基纤维素、炭黑，均匀混合后，制得第一浆料；所述第二浆料的制备方法，包括如下步骤：将第二分散剂加入水中，制得第二分散液，然后加入碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或或多种的混合物，搅拌均匀后，再加
入第二憎水剂乳液，搅拌均匀后，再加入第二聚苯乙烯微球、甲基纤维素、炭黑，均匀混合后，制得第二浆料。
[0016]在一些实施例中，所述第一浆料常温下的粘度为1000~3000cp，所述第二浆料常温下的粘度为1000~3000 cp。
[0017]在一些实施例中，所述第一浆料的制备方法，包括如下步骤：将1~5份第一分散剂和500~1300份去离子水，均匀混合后，制成第一分散液，在第一分散液中添加15~20份的任意比例的导电碳纳米纤维、碳纳米管和石墨烯中的一种或者多种的混合物，再加入10~50份质量分数为40~60%的第一憎水剂乳液，500~1000 r/min下搅拌30~90min，形成第一混合溶液，在第一混合溶液中，加入2~10份第一聚苯乙烯微球，1500~3000r/min下搅拌10~30mi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料的制备方法，其特征在于，至少包括第一浆料和第二浆料；所述第一浆料的制备方法，包括如下步骤：将第一碳基材料、第一分散液、第一憎水剂乳液、第一聚苯乙烯微球搅拌均匀制备得到第一浆料；所述第二浆料的制备方法，包括如下步骤：将第二碳基材料、第二分散液、第二憎水剂乳液、第二聚苯乙烯微球搅拌均匀制备得到第二浆料；所述第一聚苯乙烯微球的粒径范围为5~20μm；所述第二聚苯乙烯微球的粒径范围为100nm~10μm；且所述第一聚苯乙烯微球和所述第二聚苯乙烯微球的粒径不相同。2.根据权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料的制备方法，其特征在于，所述第一聚苯乙烯微球的粒径范围为10~20μm；所述第二聚苯乙烯微球的粒径范围为1~10μm。3.根据权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料的制备方法，其特征在于，所述第一浆料中，所述第一聚苯乙烯微球与第一碳基材料的质量比为：（0.01~0.15）:1；所述第二浆料中，所述第二聚苯乙烯微球与第二碳基材料的质量比为：（0.01~0.23）:1。4.根据权利要求1所述一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料的制备方法，其特征在于，所述第一碳基材料、所述第二碳基材料均为碳纳米纤维、炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的混合物；所述第一憎水剂乳液、所述第二憎水剂乳液均为聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液、聚三氟氯乙烯乳液中的一种或多种的混合物；所述第一分散液为含有第一分散剂的水溶液，所述第二分散液为含有第二分散剂的水溶液，所述第一分散剂、所述第二分散剂均为曲拉通X
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100。5.根据权利要求1~4任一项所述一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料的制备方法，其特征在于，所述第一浆料的制备方法，包括如下步骤：将第一分散剂加入水中，制得第一分散液，然后加入碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的混合物，搅拌均匀后，再加入第一憎水剂乳液，搅拌均匀后，再加入第一聚苯乙烯微球、甲基纤维素、炭黑，均匀混合后，制得第一浆料；所述第二浆料的制备方法，包括如下步骤：将第二分散剂加入水中，制得第二分散液，然后加入碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种的混合物，搅拌均匀后，再加入第二憎水剂乳液，搅拌均匀后，再加入第二聚苯乙烯微球、甲基纤维素、炭黑，均匀混合后，制得第二浆料。6.根据权利要求5所述一种质子交换膜燃料电池微孔层浆料的制备方法，其特征在于，所述第一浆料的制备方法，包括如下步骤：将1~5份第一分散剂和500~1300份去离子水，均匀混合后，制成第一分散液，在第一分散液中添加15~20份的任意比例的导电碳纳米纤维、碳纳米管和石墨烯中的一种或者多种的混合物，再加入10~50份质量分数为40~60%的第一憎水剂乳液，500~1000 r/...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿凯明，钱伟，杨磊，张钰惠，王力南，李吉涛，周明正，柴茂荣，
申请(专利权)人：国家电投集团氢能科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：