[发明专利]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

说明书

本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体的说是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。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10％wt％‑100wt％。本发明具有处理过程简单、实验条件温和、化学品环境友好等特点。

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体的说是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。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种采用质子交换膜作为电解质，以Pt/C为催化剂，以氢气为燃料，以空气或纯氧为氧化剂的低温燃料电池。考虑现在环境污染和能源问题严重，PEMFC具有较高的功率密度、环境友好的优势使它有希望替代化石燃料作为应用于自动、固定和便携式设备的能量资源。膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池系统至关重要的部分，它包括质子交换膜、催化层和气体扩散层(GDL)。

GDL的结构示意图(如图1)，其和气体流道相连的第一层是支撑层(GB)，它主要是碳纸或碳布，一般厚度约为100-400μm，它的作用是气体分布器和集流体；第二层是薄的微孔层(MPL)，它的厚度一般为10-100μm，它包括碳粉和疏水性或者亲水性试剂，主要是减少了催化层和多孔层之间的接触阻力、进行有效的水管理防止水淹。气体扩散层的作用是气体传输、有效水管理、低电阻下传导电子和在低湿度情况下保持膜的湿润状态。水淹状态减少了电化学反应的催化位点，阻碍了反应物的传输，所以GDL是典型疏水的，气体的传输通道是经过疏水性处理的具有疏水作用的孔道。

常规气体扩散层微孔层的制备是以聚四氟乙烯(PTFE)为疏水试剂，但随着PTFE含量的增加，气体扩散层的累积孔体积和平均孔径都在减小，因此导致了气体的传输供应受阻，从而使得燃料电池的性能下降；此外，由于PTFE是不导电的，较高含量的PTFE将会使得电极的整体电阻增加，影响性能。

专利CN100521328C是将微波介电加热技术处理的疏水剂/导电碳材料复合粉体，通过湿法或干法制备在憎水处理过的多孔导电基底的一侧或者两侧从而得到气体扩散层。这种方法形成的微孔层具有较好的疏水性和合适的孔结构，加强了传质，提高了电极性能。但是该方法使用的疏水剂为环境不友好型的含氟聚合物，实验处理过程相对复杂，且实验温度较高。

专利CN1949570A气体扩散层的制备方法是按比例取二种或者二种以上导电碳材料均匀混合制备成复合导电材料，将该复合导电材料与憎水剂在溶剂中分散均匀形成浆料，将此浆料均匀制备到经过憎水处理的多孔导电基底的一侧或者两侧，最后经过热处理形成气体扩散层。然而这种方法热处理温度相对较高，处理过程略复杂。

进而现急需一种实现微孔层的超疏水性的质子交换膜燃料电池气体扩散层微孔层及其制备方法。

发明内容

本发明目的在于提供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。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种质子交换膜燃料电池气体扩散层微孔层，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％；优选为80wt％-100wt％。

所述有机硅氧烷和碳纳米材料占有机溶剂的用量分别为为1wt％-30wt％、1wt％-40wt％；优选分别为1wt％-5wt％、2wt％-10wt％。

所述有机硅氧烷为聚二甲基硅氧烷、聚甲基硅氧烷、α,ω-二羟基聚硅氧烷中的一种或几种；优选为聚二甲基硅氧烷；

所述的碳纳米材料为碳黑、乙炔黑、碳纳米管中的一种或几种；优选为碳黑；