[发明专利]一种微孔层浆料、气体扩散层、燃料电池及制备方法

说明书

本申请实施例提供一种微孔层浆料、气体扩散层、燃料电池及制备方法，涉及燃料电池领域。微孔层浆料包括疏水剂、全氟磺酸型聚合物或其对应的盐、溶剂形成的凝胶体，以及分散于凝胶体中的碳基材料，碳基材料和溶剂的质量比为1：3～20，疏水剂的质量为碳基材料质量的20％～30％，全氟磺酸型聚合物或其对应的盐的质量为碳基材料质量的2％～300％。本申请实施例的微孔层浆料、气体扩散层、燃料电池的气体传输能力强，且不影响产品的寿命。

技术领域

本申请涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种微孔层浆料、气体扩散层、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(Membrane Electrode Assemblies，简称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(Gas Diffusion Layer，简称GDL)，一般由基底层(GB)和微孔层(MPL)组成，基底层(GB)主要起支撑以及集流的作用，而微孔层(MPL)则用于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，低加湿和高电流密度是燃料电池的一个重要发展方向，因而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)组成，微孔层的孔结构会对燃料电池的性能产生直接影响。在燃料电池的运行中会产生水，如果不及时将水排出，水将会把气体扩散层微孔层的孔结构堵死，从而导致反应所需的气体无法传输。为了加强微孔层排水透气能力，目前常用的方法是在制备微孔层的过程中形成大孔径孔结构，如裂纹、穿孔等，但是这些裂纹、穿孔等大孔径孔结构往往会带来寿命问题，降低产品寿命。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种微孔层浆料、气体扩散层、燃料电池及制备方法，气体传输能力强，且不影响产品的寿命。

第一方面，本申请实施例提供了一种微孔层浆料，其包括：

疏水剂、全氟磺酸型聚合物或其对应的盐和溶剂形成的凝胶体；

分散于凝胶体中的碳基材料；

碳基材料和溶剂的质量比为1：3～20，疏水剂的质量为碳基材料质量的20％～30％，全氟磺酸型聚合物或其对应的盐的质量为碳基材料质量的2％～300％。

在上述技术方案中，微孔层浆料去除溶剂即可形成对应的微孔层，微孔层的结构内部构建排水通道，具体的，微孔层主要是由表面附着有疏水剂的碳基材料和表面附着有全氟磺酸型聚合物或其对应的盐的碳基材料组成，且这两种碳基材料均匀混合，它们之间具有空隙。由于疏水剂具有疏水性能，全氟磺酸型聚合物或其对应的盐具有亲水性能，水通过微孔层的空隙时，会更倾向于流经表面附着有全氟磺酸型聚合物或其对应的盐的碳基材料之间的空隙，以及表面附着有全氟磺酸型聚合物或其对应的盐的碳基材料和表面附着有疏水剂的碳基材料之间的空隙，从而形成类似于树叶脉络的排水通道。相应的，表面附着有疏水剂的碳基材料之间的空隙，以及表面附着有疏水剂的碳基材料和表面附着有全氟磺酸型聚合物或其对应的盐的碳基材料之间的空隙会形成类似于树叶脉络的排气通道。因此微孔层浆料形成的微孔层的排水通道和排气通道分明，从而能够保障排水通道畅通，保证产品气体传输能力，且不影响产品的寿命。

在一种可能的实现方式中，溶剂包括水和有机溶剂；

可选地，水和有机溶剂的质量比为5～10：1～5；

可选地，有机溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇中的至少一种，或冰醋酸，或环己烷。

在一种可能的实现方式中，疏水剂为聚四氟乙烯和/或聚偏氟乙烯；

和/或，碳基材料为碳黑、碳纤维、碳纳米管和石墨烯中的至少一种。