一种独立微孔层及其制备方法和应用与流程

本发明涉及燃料电池，具体而言，涉及一种独立微孔层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,pemfcs)是在电动汽车领域最有前景的电力能源之一；其基本结构主要由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层、集流板(又称双极板)组成。其中，气体扩散层(gdl)是质子交换膜燃料电池的重要组成材料之一，需要具备良好的导电性、排水导气性、以及一定的机械强度来支撑催化层等特性。扩散层通常由微孔层(mpl)和支撑层(gdb)两部分组成，传统的支撑层一般为碳布或碳纸；相比于金属双极板，碳布和碳纸的刚度有限，在燃料电池装堆过程中，时常出现因碳纸过压而导致的很多结构或性能问题。具体表现在：内部孔隙结构发生变化，结构坍塌，部分孔通道堵塞，整体孔隙率降低，严重影响传质等；此外，碳纸会有部分侵入到流道中，增大了流道中气体的传输阻力，从而影响电池性能。

2、目前已经有一些现有技术着手于高刚度、不易变形的基底材料的研究，以期替代碳纤维纸材料，最大程度的减少由于碳纸压缩形变带来的性能问题。但是，关于金属扩散层的孔径梯度的构造和微孔层的制备方法少有研究。

3、公开号cn116314905a专利公开了一种燃料电池用独立式微孔层及其制备方法。由碳纳米管、基础碳材料和疏水处理剂组成，所述碳纳米管为独立式微孔层提供了支持结构，所述基础碳材料作为所述独立式微孔层的骨架并为所述独立式微孔层提供多孔结构。

4、公开号cn114899417a专利公开了一种燃料电池气体扩散层及其制备方法。所述气体扩散层包括相互连接的支撑层和微孔层，所述支撑层和所述微孔层的材料分别独立地包括多孔金属网。该方法中微孔层难以脱离支撑层而独立应用。

5、因此，现有技术中缺乏独立微孔层应用于金属基扩散层的方案，以及起到支撑作用所用到的单壁碳纳米管和多壁碳纳米管价格相对比较昂贵，批量化生产成本较高。现行工艺中的支撑层和微孔层均采用多孔金属网成型，但是其中的憎水处理仍需要进行烧结热处理，烧结处理存在金属易氧化和变形的问题。此外，多孔金属网做微孔层仍然存在粗糙度较大的问题，容易刺破膜。

6、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的第一目的在于提供一种独立微孔层的制备方法，用以同时解决现有技术所存在的以下几方面的技术缺陷，一为避免金属基底进行高温热处理时的氧化和形变问题，二是避免金属材料作为微孔层原料，出现金属粗糙度高而刺破膜层的问题，三是避免扩散层中的微孔结构无法脱离支撑结构而独立成型的问题。

2、本发明的第二目的在于提供所述的独立微孔层的制备方法所制得的微孔层，所述微孔层脱离金属支撑元件或结构而独立成型，具有表面粗糙度低、接触电阻低等优势。

3、本发明的第三目的在于提供一种金属基扩散层，包括有所述的独立微孔层，以及金属基底材料；且二者构造呈梯度孔结构，能够促进反应物供给和水分去除，且具有高刚度等优势。

4、本发明的第四目的在于提供一种所述的金属基扩散层的制备方法，该方法简单易行，易于批量化实施。

5、本发明的第五目的在于提供一种质子交换膜燃料电池，包括有所述的金属基扩散层。

6、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

7、一种独立微孔层的制备方法，包括如下步骤：

8、(1)、配制微孔层浆料；所述浆料包括碳源、表面活性剂、疏水剂、粘结剂和溶剂；所述碳源包括碳粉、碳纤维和石墨粉；

9、(2)、将所述浆料涂布至耐高温薄膜，通过热压处理得到减薄后的浆料涂层；

10、(3)、将所述浆料涂层进行热处理，而后去除所述耐高温薄膜，得到独立微孔层。

11、一种微孔层，根据所述的独立微孔层的制备方法制备得到。

12、一种金属基扩散层，包括所述的微孔层、粘接剂和金属基底。

13、根据所述的金属基扩散层的制备方法包括如下步骤：

14、将粘接剂喷涂在酸洗处理后的金属基底的表面，而后将其与微孔层进行热压复合，得到金属基扩散层。

15、一种质子交换膜燃料电池，包括所述的金属基扩散层。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

17、(1)本发明提供了一种制备工艺以实现脱离金属支撑层的微孔层的独立成型，规避了金属基底进行高温热处理时的氧化和形变问题；本发明的微孔层为碳结构，通过采用特定碳源组合配料，得到了具有表面光滑度高、导电性强、电阻率低等优势的微孔层。

18、(2)本发明提供了一种具有梯度孔结构的金属基气体扩散层，其中，金属基低的表面孔径大，微孔层孔径小，形成具有梯度孔隙特征的扩散层，有利于燃料电池反应物的供给和产物水的排出，进而提高燃料电池的性能；且制备工艺简单、成本低廉，可实现批量化生产。同时本发明提供了一种基于该金属基气体扩散层的质子交换膜燃料电池，能够避免碳纸扩散层在燃料电池中存在的孔径结构坍塌和过压缩带来的性能问题。

技术特征：

1.一种独立微孔层的制备方法，其特征在于，所述的独立微孔层的制备方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的独立微孔层的制备方法，其特征在于，所述的独立微孔层的制备方法的原料满足如下特征中的至少一种：

3.根据权利要求1所述的独立微孔层的制备方法，其特征在于，所述浆料中包括按质量份数计的如下组分：碳粉15～40份、碳纤维5～30份、石墨粉15～40份、表面活性剂5～30份、疏水剂20～80份和粘接剂10～40份。

4.根据权利要求1所述的独立微孔层的制备方法，其特征在于，所述配制微孔层浆料包括如下步骤：向所述溶剂中按顺序依次添加所述表面活性剂、所述疏水剂、所述粘结剂、所述碳粉、所述碳纤维和所述石墨粉；且每向所述溶剂中添加一种原料组分后，则进行一次分散处理操作。

5.根据权利要求1所述的独立微孔层的制备方法，其特征在于，所述热压处理的温度为100℃～150℃，所述热压处理的压力为5mpa～20mpa，所述热压处理的时间为1min～5min；

6.根据权利要求1所述的独立微孔层的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为330℃～380℃，所述热处理的时间为20min～40min。

7.如权利要求1～6任一项所述的独立微孔层的制备方法制得的微孔层。

8.一种金属基扩散层，其特征在于，包括如权利要求7所述的微孔层、粘接剂和金属基底。

9.如权利要求8所述的金属基扩散层的制备方法，其特征在于，所述的金属基扩散层的制备方法包括如下步骤：

10.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，包括如权利要求9所述的金属基扩散层。

技术总结
本发明提供了一种独立微孔层及其制备方法和应用，涉及燃料电池技术领域。具体而言，独立微孔层的制备方法包括如下步骤：1)、配制微孔层浆料；所述浆料包括碳源、表面活性剂、疏水剂、粘结剂和溶剂；所述碳源包括碳粉、碳纤维和石墨粉；2)、将所述浆料涂布至耐高温薄膜，待烘干后通过热压处理得到减薄后的浆料涂层；3)、将所述浆料涂层进行热处理，而后去除所述耐高温薄膜，得到独立微孔层。本发明提供了一种微孔层独立成型的制备工艺，避免了现有技术中存在的多种技术缺陷，并提供了简约有效的具有梯度孔结构的金属基扩散层的制备方法，具有良好的应用前景。

技术研发人员：钱伟,周超凡,汪如意,方川
受保护的技术使用者：北京亿华通科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5