本發明涉及質子交換膜燃料電池領域，尤其是一種質子交換膜燃料電池用氣體擴散層的制備方法。
背景技術：
質子交換膜燃料電池(pemfc)核心組件膜電極組件(mea)由氣體擴散層、催化層和質子交換膜組成。電池運行時，如果水蒸氣局部分壓高于當地飽和分壓，就會出現液態水。液態水在多孔電極內過量聚集會嚴重阻礙反應物傳輸，影響電池的性能。典型的氣體擴散層通常由支撐層和微孔層構成，支撐層是由碳紙或碳布等多孔導電介質材料構成，而微孔層一般是由碳粉和憎水性的聚四氟乙烯(ptfe)構成。ptfe在微孔層中既是憎水劑又是粘結劑，其良好分布能夠有效地改善燃料電池內部的水氣傳質，進而提高電池性能，所以ptfe的均勻分布至關重要。美國專利u.s.5561000，中國專利98109696，96198611，1658422，200610047931.2，200510047370.1等介紹了將碳粉顆粒均勻分散在低沸點的乙醇、異丙醇中，然后再將一定質量分數的ptfe乳液直接加入其中形成微孔層漿液，最后將微孔層漿料涂覆在憎水處理過的支撐層表面，高溫燒結后得到氣體擴散層。然而ptfe的表面能很低，導致其在非水溶劑中的分散穩定性能較差。因此以醇類為溶劑得到的微孔層漿液中的ptfe易于凝聚，分散不均勻。而且，在微孔層的熱處理過程中，凝聚在一起的ptfe顆粒易于形成較大面積包裹的絕緣區域，降低了擴散層局部的導電性與透氣性能。但這一問題并未引起研究者的廣泛關注。為了解決這一問題，中國專利200610068168.1介紹了采用干法制備用于質子交換膜燃料電池的氣體擴散層。中國專利201310692107.2描述了由去離子水、炭黑粉末、分散劑及憎水劑組成的漿料制備微孔層的方法，用添加分散劑的去離子水作為微孔層漿料的分散劑，解決了醇類溶劑中憎水劑凝聚的問題。
技術實現要素：
考慮到水溶液更有利于ptfe乳液的良好分散，而醇類溶劑更有利于碳粉的分散，本發明采用分步制備氣體擴散層的方法，即將微孔層分為親水層和憎水層，層層涂覆，解決了ptfe和碳粉的均勻分散問題，得到了各組分均勻分散的微孔層漿料。
具體地說，本發明提供的制備方法其步驟如下：
1)將導電碳粉加入低沸點的醇類溶劑中，超聲分散10-40分鐘，形成均勻的碳粉層漿料；
2)向高濃度的憎水劑乳液中加入去離子水或蒸餾水，機械攪拌1-10分鐘，形成均勻的低濃度的憎水層乳液；
3)將一定量的上述碳粉層漿料均勻地涂覆在經憎水處理的多孔導電支撐層的表面，干燥并稱重；然后在其表面涂覆一定量的上述憎水層乳液，干燥并稱重；
4)重復上述3)中的步驟2—5次，直至碳粉粉末的擔載量達到0.4mg/cm2-1.5mg/cm2，憎水劑的擔載量達到碳粉質量的10％-60％。
5)將上述帶有微孔層的支撐層置于充氮烘箱中，在150-360℃溫度下燒結30-120分鐘得到氣體擴散層。
所述的制備方法，其中導電碳粉為乙炔黑、vulcanxc-72、blackpearls、碳納米管、石墨烯粉末其中的一種或幾種的混合物。
所述的制備方法，其中憎水劑的乳液為聚四氟乙烯(ptfe)乳液、四氟乙烯與六氟丙烯的共聚物(fep)、聚偏氟乙烯(pvdf)乳液、聚三氟氯乙烯(pctfe)懸浮液等含氟聚合物中的一種或兩種混合物。
所述的制備方法，其中微孔層的涂覆方式為刷涂、刮涂、噴涂及絲網印刷。
附圖說明
圖1：電池性能曲線圖
具體實施方式
實施例1
按照本發明所述的方法，量取5ml乙醇，向其內加入62.5mg的乙炔黑，超聲分散20分鐘形成均勻的碳粉層漿料。用去離子水將質量分數為60％的ptfe乳液稀釋，得到質量分數為1％的憎水劑乳液。依次逐層將碳粉層漿料和憎水劑乳液涂覆在憎水處理過的toray碳紙(ptfe的擔載量為碳紙質量的1％)一側表面，干燥并稱重，直到碳粉的擔載量達到0.5mg/cm2，ptfe的擔載量達到碳粉質量的35％。最后將整個氣體擴散層置于充氮烘箱在240℃、350℃各燒結30分鐘。
比較例1
以乙醇為分散劑制備微孔層漿料。首先將62.5mg的乙炔黑、5ml乙醇超聲分散40分鐘形成均勻的混合液，然后向其內添加437.5mg的ptfe乳液(5wt％)，攪拌均勻得到微孔層漿料。將上述微孔層漿料均勻涂覆到憎水處理過的toray碳紙(ptfe的擔載量為碳紙質量的1％)的一側表面，干燥并稱重，然后重復該步驟直到碳粉的擔載量達到0.5mg/cm2；。最后置于充氮烘箱在240℃、350℃各燒結30分鐘。
分別將實施例1與比較例1所制備的氣體擴散層作為陰極氣體擴散層、商業化氣體擴散層(包括微孔層)作為陽極氣體擴散層，與212膜兩面噴涂催化劑的ccm組裝電池進行測試。電池用燃料電池測試系統測試，電池測試條件是，電池工作溫度為65℃，氫氣增濕溫度為65℃，氧氣增濕溫度為65℃，氫氣、氧氣壓力0.05mpa(表壓),電池工作面積為5cm2。電池性能曲線如圖1所示。同時，在線歐姆阻抗譜顯示，2500macm-2實施例1組裝電池的歐姆電阻和傳質電阻均小于比較例1所組裝的電池電阻。
比較例2
按照本發明所述的方法，稱取60mg的聚乙烯吡咯烷酮(pvp)加入到70g去離子水中配成均勻的水溶液，量取該水溶液5ml，向其內加入62.5mg的乙炔黑，磁力攪拌6h，攪拌器轉速為1600轉/分，之后超聲分散30分鐘形成均勻的懸浮液，然后向上述懸浮液中添加437.5mg的ptfe乳液(5wt％)，攪拌均勻得到微孔層漿料。將上述微孔層漿料均勻涂覆到toray碳紙一側，干燥并稱重，然后重復該步驟直到碳粉的擔載量達到0.5mg/cm2；然后在碳紙未涂覆微孔層一側噴涂低濃度的ptfe乳液(0.25wt％)，使得ptfe的擔載量達到碳紙質量的1％。最后將整個擴散層置于充氮烘箱在240℃、350℃各燒結30分鐘。
采用孔徑測試儀(南京高謙功能材料科技有限公司，psda-20型)對實施例1與比較例1、2所制備的氣體擴散層進行n2通量測試，進而計算出各氣體擴散層的滲透系數。結果顯示，實施例1所制備的氣體擴散層的滲透系數為1.096×10-12m2，比較例1、2所制備的氣體擴散層的滲透系數分別為0.876×10-12m2、0.932×10-12m2。通過滲透系數的測量可以發現按照本權利要求書所制備得到的氣體擴散層具有良好的透氣性。
采用液滴成像分析儀(dropshapeanalyzer100)對實施例1和比較例1的微孔層表面進行測量，發現實施例1制備的微孔層表面接觸角的分布更加均勻。