微孔层及其制备方法和包含它的燃料电池与流程

本发明属于燃料电池，具体涉及一种燃料电池的微孔层、其制备方法及包含该微孔层的燃料电池。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是一种直接将化学能转化为电能同时没有碳排放的能量转化方式，并且有望突破60％的能量转化效率。由于其低温工作环境、长时间的稳定性、快速充气、高的能量密度，被认为是下一代的能量转化方式。

2、然而，由于燃料电池中存在着极化损失、欧姆损失和传质损失三种可能导致电压降的损失，因而制约着其实现超高的能量密度。如果气体无法及时到达催化剂，就会导致电极的化学反应速率较慢。如果不能及时地将水排出，就会导致催化层或气体扩散层的水淹现象；如果水含量较少，就会导致质子交换膜脱水，导致较大的欧姆损失。在燃料电池中，传质损失所消耗的电压可占总电压降的70％以上，尤其是在高电流密度情况下。

3、因此，亟需一种结构合理能够减小传质损失的微孔层，从而提高输出功率。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种微孔层、其制备方法以及包含该微孔层的燃料电池。

2、本发明提供一种微孔层的制备方法，包括：形成浆料，所述浆料包括导电材料、粘结剂、制孔剂和溶剂；以及将所述浆料涂覆在基底表面后，60-350℃下焙烧至所述制孔剂完全分解，之后继续焙烧得到所述微孔层。

3、根据本发明的一实施方式，所述制孔剂选自碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵中的一种或几种。

4、根据本发明的另一实施方式，所述导电材料为炭黑、碳纳米管、石墨、石墨烯中的一种或多种；优选，所述炭黑选自乙炔炭黑、vulcan xc-72。

5、根据本发明的另一实施方式，所述溶剂为水和异丙醇，其中所述水和所述异丙醇的质量比1:5-5:1，所述水的质量为所述导电材料的10倍。

6、根据本发明的另一实施方式，所述粘结剂包括第一粘结剂，第一粘结剂能够与所述溶剂形成氢键；优选，所述第一粘结剂为聚乙二醇、聚丙二醇中的一种或两种；优选，所述聚乙二醇的平均分子量为1000-5000g/mol；更优选，所述粘结剂还包含第二粘结剂，所述第二粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、全氟乙烯丙烯共聚物、全氟聚醚中的一种或多种；更优选，所述第二粘结剂为聚四氟乙烯；更优选，所述聚四氟乙烯与所述导电剂的质量比为7：3。

7、根据本发明的另一实施方式，以所述浆料的质量为100％计，所述粘结剂的含量在5％-50％之间；优选，所述第一粘结剂的含量在5％-15％之间。

8、本发明还提供一种微孔层，由上述制备方法制备。

9、根据本发明的一实施方式，所述微孔层的中值孔径为27-37nm之间，所述微孔层与水的接触角为110°-140°。

10、本发明又提供一种燃料电池，包括上述微孔层。

11、根据本发明的一实施方式，所述微孔层厚度为10-100μm。

12、本发明的制备方法可以精确控制微孔层中值孔径为32±5nm，可以有效地调控孔径大小。采用本发明方法制备的微孔层中值孔径为32±5nm，用于连接催化层和气体扩散层可以减小接触电阻，实现有效排水，提高气体传输效率，使气体透过和排水功能达到平衡，从而实现高达1.572w/cm2的输出功率。本发明的制备方法操作简单、重复性高、质量可控、成本低。

技术特征：

1.一种微孔层的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制孔剂选自碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的微孔层，其特征在于，所述导电材料为炭黑、碳纳米管、石墨、石墨烯中的一种或多种；优选，所述炭黑选自乙炔炭黑、vulcan xc-72。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为水和异丙醇，其中所述水和所述异丙醇的质量比1:5-5:1，所述水的质量为所述导电材料的10倍。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂包括第一粘结剂，所述第一粘结剂能够与所述溶剂形成氢键；优选，所述第一粘结剂为聚乙二醇、聚丙二醇中的一种或两种；优选，所述聚乙二醇的平均分子量为1000-5000g/mol；更优选，所述粘结剂还包含第二粘结剂，所述第二粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、全氟乙烯丙烯共聚物、全氟聚醚中的一种或多种；更优选，所述第二粘结剂为聚四氟乙烯；更优选，所述聚四氟乙烯与所述导电剂的质量比为7：3。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，以所述浆料的质量为100％计，所述粘结剂的含量在5％-50％之间；优选，所述第一粘结剂的含量在5％-15％之间。

7.一种微孔层，其特征在于，由权利要求1-6任一项所述的制备方法制备。

8.根据权利要求1所述的微孔层，其特征在于，所述微孔层的中值孔径为27-37nm之间，所述微孔层与水的接触角为110°-140°。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求7或8所述的微孔层。

10.根据权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述微孔层厚度为10-100μm。

技术总结
本发明公开一种微孔层、其制备方法和饱含该微孔层的燃料电池。制备方法包括：形成浆料，所述浆料包括导电材料、粘结剂、制孔剂和溶剂；以及将所述浆料涂覆在基底表面后，60‑350℃下焙烧至所述制孔剂完全分解，之后焙烧得到所述微孔层。本发明的制备方法可以精确控制微孔层中值孔径为32±5nm，可以有效地调控孔径大小。采用本发明方法制备的微孔层中值孔径为32±5nm，用于连接催化层和气体扩散层可以减小接触电阻，实现有效排水，提高气体传输效率，使气体透过和排水功能达到平衡，从而实现高达1.572W/cm<supgt;2</supgt;的输出功率。本发明的制备方法操作简单、重复性高、质量可控、成本低。

技术研发人员：王路达,吴宁然,侯丹丹,刘烨,姚阿艳
受保护的技术使用者：北京石墨烯研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/20