本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池，具體涉及一種微孔層漿料的制備方法、氣體擴(kuò)散層及膜電極組件。

背景技術(shù)：

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)具有工作溫度低、能量轉(zhuǎn)換效率高、噪音低、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，備受廣大專家與學(xué)者的青睞。膜電極組件(mea)通常由質(zhì)子交換膜、催化劑層及氣體擴(kuò)散層(gdl)組成，是pemfc的關(guān)鍵核心零部件。其中g(shù)dl主要起到支撐催化層、排水傳氣、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等作用，影響燃料電池在高電流密度下的電池性能，決定了燃料電池性能的上限，起著至關(guān)重要的作用。

2、gdl包括微孔層和基底層，其中微孔層對(duì)燃料電池的水氣管理至關(guān)重要，尤其是對(duì)高電流密度的電池性能起著決定性作用，因此微孔層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及形態(tài)決定了gdl的整體性能。相關(guān)技術(shù)中，微孔層的制備方式一般是通過(guò)采用ptfe乳液、導(dǎo)電炭材料以及溶劑混合得到微孔層漿料，而后通過(guò)涂布工藝制備得到gdl。該方式存在以下幾個(gè)問(wèn)題：①ptfe乳液容易破乳，導(dǎo)致微孔層漿料均一性和穩(wěn)定性差；②制備的微孔層漿料導(dǎo)電炭材料和疏水樹(shù)脂包覆均一性差，導(dǎo)致gdl在燃料電池中親疏水性均勻性差，從而導(dǎo)致性能不穩(wěn)定；③制備的微孔層內(nèi)部ptfe容易流失，導(dǎo)致gdl的疏水性逐漸變差，耐久性差。

3、因此，如何制備綜合性能良好的gdl受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是基于發(fā)明人對(duì)以下事實(shí)和問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)做出的：

2、cn?114335570?a通過(guò)化學(xué)嫁接法將疏水劑接枝于親水的導(dǎo)電炭表面，制備超疏水的導(dǎo)電炭，然后將經(jīng)過(guò)疏水處理的導(dǎo)電炭噴涂在炭紙基底上形成氣體擴(kuò)散層中的微孔層。該方法化學(xué)嫁接的方法可控性差，且嫁接的硅烷改性碳粉導(dǎo)電性較差，另外該專利中制備的氣體擴(kuò)散層碳紙基材未經(jīng)過(guò)疏水化處理等，碳紙基材的疏水性較差，導(dǎo)致整個(gè)gdl水氣管理較差。

3、cn?114335569?a將親水改性的導(dǎo)電樹(shù)脂粉、親水改性的導(dǎo)電介質(zhì)粉和疏水劑粉，混合均勻后得到復(fù)合微孔層干粉料；將復(fù)合微孔層干粉料均勻涂覆在多孔支撐層靠近催化層一側(cè)的表面，熱處理后得到微孔層。該方法制備的微孔層中導(dǎo)電碳粉和疏水劑材料混合均一性差，在燃料電池實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，出現(xiàn)親疏水性均一性差，水氣管理能力差。

4、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本發(fā)明的實(shí)施例提出一種微孔層漿料制備方法，該方法制得的微孔層漿料不易破乳、流變性好，采用該微孔層漿料制得的微孔層均勻、平整，進(jìn)一步得到的氣體擴(kuò)散層耐久性增強(qiáng)，解決了相關(guān)技術(shù)中微孔層漿料的制備過(guò)程中ptfe乳液易破乳，微孔層漿料流變性差、穩(wěn)定性差，ptfe和導(dǎo)電炭材料包覆性差，微孔層漿料中ptfe容易流失等缺點(diǎn)。

5、本發(fā)明實(shí)施例的微孔層漿料的制備方法，包括以下步驟：

6、(1)將炭黑、溶劑和表面活性劑分散處理后加入ptfe乳液，攪拌處理后先低溫烘干再進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚玫絧tfe和炭黑的混合粉體料；將所述混合粉體料經(jīng)過(guò)砂磨處理得到疏水性炭黑；

7、(2)將所述步驟(1)得到的疏水性炭黑、溶劑和表面活性劑混合后攪拌處理得到微孔層漿料。

8、本發(fā)明實(shí)施例的微孔層漿料的制備方法帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果，1、本發(fā)明實(shí)施例的方法，采用濕法混合的方式，并在其中加入表面活性劑，具有更好的混合效果，得到的微孔層漿料具有更好的均一性和穩(wěn)定性；2、本發(fā)明實(shí)施例的方法，將ptfe乳液加入體系中后，采用先低溫烘干，而后高溫烘干的流程，可以嚴(yán)格控制烘干溫度，使制得的炭黑具有良好的疏水特性。

9、在一些實(shí)施例中，所述步驟(1)和/或所述步驟(2)中，所述溶劑包括水、異丙醇、正丙醇、乙醇或正丁醇中的至少一種；

10、和/或，所述炭黑包括xc-72r、bp2000、乙炔黑、科琴黑、石墨粉或膨脹石墨中的至少一種。

11、在一些實(shí)施例中，所述步驟(1)和/或所述步驟(2)中，所述表面活性劑包括曲拉通x-100、吐溫60、聚乙二醇異辛基苯基醚或脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一種。

12、在一些實(shí)施例中，所述步驟(1)中，所述低溫烘干的溫度為60～80℃，所述低溫烘干的時(shí)間為5～30min；

13、和/或，所述高溫?zé)崽幚淼臏囟葹?00～450℃，所述高溫?zé)崽幚淼臅r(shí)間為0.5～2h；

14、和/或，所述砂磨處理的時(shí)間為20～50min，所述球磨處理的轉(zhuǎn)速為800～1200r/min。

15、在一些實(shí)施例中，所述步驟(1)中，所述炭黑、溶劑和表面活性劑的質(zhì)量比為0.1～1:1～10:0.01～1；

16、和/或，所述ptfe和炭黑的質(zhì)量比為1～4:2～8。

17、在一些實(shí)施例中，所述步驟(2)中，所述疏水性炭黑、溶劑和表面活性劑的質(zhì)量比為0.1～1:1～10:0.01～0.5；

18、和/或，所述步驟(2)中，所述攪拌處理的方式包括在納米研磨機(jī)中進(jìn)行研磨處理，所述研磨處理的時(shí)間為20～40min。

19、本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種氣體擴(kuò)散層的制備方法，包括以下步驟：在疏水處理后的碳紙基材上涂布上述的制備方法制得的微孔層漿料，先進(jìn)行烘干處理，再進(jìn)行高溫處理。

20、本發(fā)明實(shí)施例的氣體擴(kuò)散層的制備方法帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果，1、本發(fā)明實(shí)施例的方法，制得的氣體擴(kuò)散層具有更好的導(dǎo)電性和耐久性，且均一性優(yōu)越、水氣管理能力強(qiáng)；2、本發(fā)明實(shí)施例的方法，卷對(duì)卷自動(dòng)化工藝，生產(chǎn)效率高，利于批量生產(chǎn)。

21、在一些實(shí)施例中，所述涂布的方式包括狹縫擠壓涂布；

22、和/或，所述烘干處理的溫度為60～120℃，所述烘干處理后的干厚為20～30μm；

23、和/或，所述高溫處理的溫度為350～400℃，所述高溫處理的時(shí)間為10～30min。

24、本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種氣體擴(kuò)散層，采用上述的方法制得。

25、本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種膜電極組件，包括上述的制備方法制備得到的氣體擴(kuò)散層或上述的氣體擴(kuò)散層。

技術(shù)特征：

1.一種微孔層漿料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔層漿料的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)和/或所述步驟(2)中，所述溶劑包括水、異丙醇、正丙醇、乙醇或正丁醇中的至少一種；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔層漿料的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)和/或所述步驟(2)中，所述表面活性劑包括曲拉通x-100、吐溫60、聚乙二醇異辛基苯基醚或脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔層漿料的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中，所述低溫烘干的溫度為60～80℃，所述低溫烘干的時(shí)間為5～30min；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔層漿料的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中，所述炭黑、溶劑和表面活性劑的質(zhì)量比為0.1～1:1～10:0.01～1；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微孔層漿料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述疏水性炭黑、溶劑和表面活性劑的質(zhì)量比為0.1～1:1～10:0.01～0.5；

7.一種氣體擴(kuò)散層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：在疏水處理后的碳紙基材上涂布權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)所述的制備方法制得的微孔層漿料，先進(jìn)行烘干處理，再進(jìn)行高溫處理。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣體擴(kuò)散層的制備方法，其特征在于，所述涂布的方式包括狹縫擠壓涂布；

9.一種氣體擴(kuò)散層，其特征在于，采用權(quán)利要求7或8所述的制備方法制備得到。

10.一種膜電極組件，其特征在于，包括權(quán)利要求7或8所述的制備方法制備得到的氣體擴(kuò)散層或權(quán)利要求9所述的氣體擴(kuò)散層。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微孔層漿料的制備方法、氣體擴(kuò)散層及膜電極組件。本發(fā)明公開(kāi)的微孔層漿料的制備方法，包括以下步驟：(1)將炭黑、溶劑和表面活性劑分散處理后加入PTFE乳液，攪拌處理后先低溫烘干再進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚玫絇TFE和炭黑的混合粉體料；將所述混合粉體料經(jīng)過(guò)砂磨處理得到疏水性炭黑；(2)將疏水性炭黑、溶劑和表面活性劑混合后攪拌處理得到微孔層漿料。該方法制得的微孔層漿料不易破乳、流變性好，采用該微孔層漿料制得的微孔層均勻、平整，進(jìn)一步得到的氣體擴(kuò)散層耐久性增強(qiáng)。

技術(shù)研發(fā)人員：王志昌,劉漢東,張朔,宋孟剛,呂福志,黃慧慧,楊科,何星,陳威,王順忠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：國(guó)家電投集團(tuán)氫能科技發(fā)展有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15