[发明专利]一种水凝胶、微孔层浆料和气体扩散层及其制备方法

说明书

本发明特别涉及一种水凝胶、微孔层浆料和气体扩散层及其制备方法，属于燃料电池技术领域，气体扩散层包括基底层和微孔层，所述微孔层涂覆于所述基底层，微孔层浆料的原料包括：水凝胶、导电炭黑、憎水剂和分散液；其中，所述水凝胶为ZIF‑67/SAP双网络的水凝胶；由于其具有较好的回弹性、较高的导电率及一定的自修复能力，可以改善气体扩散层中强度较低的问题，同时由于水凝胶在其中呈现双网络结构，也提供了相应气体通道和水通道。可以改善因为气体扩散层微孔层破损或划痕等造成的电池性能不佳等问题。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种水凝胶、微孔层浆料和气体扩散层及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池主要由膜电极(包括气体扩散层、催化层和质子交换膜)、双极板和密封材料组成。其中气体扩散层主要起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等重要作用。反应气体需通过气体扩散层到达三相交界处进行反应。因此气体扩散层的好坏，将直接影响气体的透过率等，从而影响燃料电池性能。

气体扩散层(GDL)主要由碳纸和微孔层组成。碳纸作为基底层，提供了强度支撑和基础骨架等。微孔层刷在碳纸上，将为电池提供更加稳定可靠的气体通道和水通道。通常情况下，气体扩散层由于本质是由碳组成，所以是非常脆弱的，其机械强度并不高，容易出现破损及表面划痕等。这将会影响气体传导及水的通过，且无法起到良好的支撑作用，从而可能对催化层造成损坏，进一步影响电池性能。

发明内容

本申请旨在至少能够在一定程度上解决目前气体扩散层机械强度不足的问题，为此，本申请提供了一种水凝胶、微孔层浆料和气体扩散层及其制备方法。

本申请实施例的第一方面提供了一种水凝胶的制备方法，所述方法包括：

将带负电荷的聚电解质SA和带正电荷的聚电解质PEI进行混合，得到混合溶液；

将金属离子Co²⁺引入所述混合溶液，得到第一网络溶液；

将所述第一网络溶液和丙烯酰胺单体、引发剂、交联剂进行混合，得到第二网络溶液；

将所述第二网络溶液和含2-甲基咪唑配体的甲醇溶液进行混合，得到ZIF-67/SAP双网络的水凝胶。

本申请实施例的第二方面提供了一种水凝胶，所述水凝胶采用第一方面所述的水凝胶的制备方法制得。

该ZIF-67/SAP双网络水凝胶，由于其具有较好的回弹性、较高的导电率及一定的自修复能力，可以改善气体扩散层中强度较低的问题，同时由于水凝胶在其中呈现双网络结构，也提供了相应气体通道和水通道。可以改善因为气体扩散层微孔层破损或划痕等造成的电池性能不佳等问题。

本申请实施例的第三方面提供了一种微孔层浆料，所述微孔层浆料的原料包括：水凝胶、导电炭黑、憎水剂和分散液；其中，所述水凝胶为第二方面所述的水凝胶。

通过添加第二方面提供的水凝胶对微孔层进行修饰，能够有效的增强燃料电池气体扩散层的强度及导电能力，解决应在操作或电池组装过程中发生的气体扩散层表面破坏的问题。

另外，根据本发明上述实施例的微孔层浆料，还可以具有如下附加的技术特征：

在一些实施方式中，所述水凝胶、导电炭黑和分散液的质量比为：1：1-5：10-12。

控制水凝胶、导电炭黑和分散液的质量比为：1：1-5：10-12，能够得到导电性好和具有一定自修复能力的微孔层，水凝胶过多会导致导电性和疏水性降低，过小导致自修复能力减弱。

在一些实施方式中，所述导电炭黑包括乙炔黑、Vulcan XC-72、Black pearls、碳纳米管和石墨烯粉末中的至少一种。

在一些实施方式中，所述憎水剂包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯和四氟乙烯与乙烯的共聚物中的至少一种。