[发明专利]一种用于燃料电池扩散层微孔层浆液的制备方法

说明书

本发明提供一种用于燃料电池扩散层制备中微孔层浆液的制备方法，本方法浆液组分包括碳粉、疏水剂和溶剂，制备方法包括组分添加次序、搅拌方式和搅拌速率，这种方法制备的浆液可通过丝网印数、刮涂、涂布等工艺将其制备于扩散层支撑材料碳纸或者碳布表面。本方法一方面通过优化碳粉、疏水剂和溶剂的组分获得适宜的浓度和稳定性；另一方面通过调节搅拌速率获得疏水剂与碳粉小颗粒均匀分散。本方法制备的微孔层浆液在批量制备过程中具有较高的稳定性，可保证批量制备的均匀性和一致性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及燃料电池用多孔电极扩散层的制备

背景技术

与传统化石能源相比，燃料电池具有高效、零污染等优点，是新能源汽车和固定电站的首选替代能源，受到各国研究人员广泛关注。作为燃料电池中的一个重要部件，气体扩散层能够影响反应物与生成物的传递过程及导电特性，进而影响燃料电池性能。理想的气体扩散层应当具有如下性质：(1)良好气体分散性及合理的气体透过性；(2)良好的水传输性；(3)高导电性。气体扩散层中引入微孔层，提高了其水管理性能力，从而提高在高电流密度区的电池性能。一般微孔层相对于炭纸基底层具有高疏水性及低孔隙率，可大大提高燃料电池膜电极的排水速率。

微孔层组分主要是炭黑和疏水材料，其组分分布状态不同直接影响微孔层的性能，因此微孔层的制备工艺对扩散层性能具有至关重要的影响。导电炭黑和疏水材料在微孔层中的分布主要受微孔层制备工艺的影响，首先是制备微孔层时两种组分的分散程度，其次是微孔层涂覆过程中涂层的均匀性。

本发明主要针对微孔层制备过程中的浆液制备和涂覆方法，通过优化浆液组分和搅拌速率使得碳粉与疏水剂均匀分散，从而得到组分均匀、稳定的燃料电池微孔层浆液。

一种微孔层浆液的制备方法，将浆液组分经机械搅拌处理，获得均匀分散的微孔层浆液。浆液组分包括导电炭黑、疏水剂和溶剂，疏水剂为含氟聚合物，溶剂为沸点高于100℃的有机溶剂，浆液制备采用机械搅拌，速率为300‐5000转/分钟。所述高沸点溶剂在机械搅拌过程中不易发生挥发，有利于保持浆液的粘度。

优选地，所述疏水剂为聚四氟乙烯(PTFE)乳液、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)乳液、聚三氟氯乙烯(PCTFE)中的至少一种，疏水剂浓度优选为5‐60％；所述导电炭黑为碳纳米管、碳纳米纤维、vulcan XC‐72(卡博特碳粉)、乙炔黑、BP2000(卡博特碳粉)、KB(科琴黑碳粉)中的至少一种；所述溶剂为丙三醇、乙二醇、DMAC(二甲基乙酰胺)、NMP(N‐甲基吡咯烷酮)、DMF(N，N‐二甲基甲酰胺)、DMSO(二甲基亚砜)中的至少一种。

优选地，所述碳粉与疏水剂的质量比例为10:1‐1:5，碳粉与溶剂的质量比例为1:5‐1:50。

优选地，采用机械搅拌分散碳粉和疏水剂，机械搅拌为增速搅拌，搅拌速率增速为1‐20转/分，时间为不小于0.5小时。随搅拌时间的增长，浆液粘度逐渐增加，因此采用增速搅拌的方式可以很好的避免浆液中疏水剂的团聚，使浆液更为均匀稳定。增速搅拌方式可在搅拌开始时进行，也可在搅拌10‐15分钟后进行增速。

本发明另一方面提供一种微孔层的制备方法，上述微孔层浆液涂覆于支撑材料。优选所述支撑材料为碳布或者碳纸。优选涂覆所述微孔层浆液的工艺为丝网印刷、刮涂或涂布。

本发明再一方面提供上述方法制得的微孔层浆液或上述方法制得的微孔层在质子交换膜燃料电池中的应用。优选用于制备燃料电池扩散层。