[發明專利]一種燃料電池用獨立式微孔層及其制備方法和膜電極、燃料電池

在審

• 申請號: 202310366085.4
• 申請日: 2023-04-07
• 公開（公告）號: CN116314905A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 周小春;文青林
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01M8/0234
• 分類號: H01M8/0234;H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

本發明提供了一種燃料電池用獨立式微孔層，由碳納米管、基礎碳材料和疏水處理劑組成；所述碳納米管為所述獨立式微孔層提供了支持結構，所述基礎碳材料作為所述獨立式微孔層的骨架并為所述獨立式微孔層提供多孔結構，所述疏水處理劑為所述獨立式微孔層提供了疏水性支持。所述獨立式微孔層的微結構使其作為膜電極的組件時能夠獨立于基底層存在，為膜電極的可拆卸結構提供支持，且其無需涂覆到基底層之上，避免了獨立式微孔層滲入至基底層，也不會影響對基底層的氣體傳輸性能。

技術領域

本發明涉及無能源與清潔技術領域，具體地，涉及一種燃料電池用獨立式微孔層及其制備方法和膜電極、燃料電池。

背景技術

氫能是二十一世紀的“終極能源”，是應對引發環境污染、能源危機和溫室效應的傳統化石能源體系的最具潛力的候選能源。以氫為原料的燃料電池是目前最受矚目的能源轉換裝置之一，它具有污染性低、能量轉化效率高、噪音小等突出的優點，具有極大的發展潛力。氣體擴散層作為燃料電池的重要組件，連接了燃料電池的催化層和流場，為燃料電池的的反應氣體和產物水提供了必要的傳輸通道。經歷了數十年的發展，目前燃料電池的氣體擴散層的結構主要為一層具有大孔結構的基底層(孔徑10⁵nm)和涂覆于基底層之上的微孔層(孔徑10²～10³nm)所構成的雙層結構。微孔層為燃料電池的催化層提供了結構支撐，同時也增強了燃料電池的水管理功能。

然而，目前商業微孔層仍然存在一些缺陷。首先，目前的微孔層多采用涂覆的方法，如刮涂、噴涂、絲網印刷等涂覆到氣體擴散層基底層的表面，形成一體化的氣體擴散層。溶液涂覆不可避免地為商業氣體擴散層帶來了較多的結構缺陷，如較大的粗糙度、微孔層表面會因為溶劑的揮發而出現裂縫。這些結構上的缺陷會導致實際燃料電池在運行過程中出現一些問題：一方面，由于這些結構缺陷，質子交換膜會出現因為應力不均勻出現一定的變形，而這種結構上的變形在一定程度上加速質子交換膜的老化，縮短電池的使用壽命；另一方面，這些結構的缺陷會導致催化層和氣體擴散層之間產生縫隙，這些縫隙會在電池運行中產生積水導致電池水淹、傳質受限的問題，不僅降低了催化層的利用率，也極大程度上降低了燃料電池的性能；第三，通過溶液涂覆的氣體擴散層因為微孔層漿料的尺寸(10～100nm)遠小于基底層的孔大小(＞10μm)，因此，微孔層會滲入基底層，造成基底層孔結構的損失，減小基底層氣體傳輸能力；而對于一些具有較大孔結構的氣體擴散層，如碳布、碳氈、金屬網、金屬泡沫等，因為微孔層傳統嚴重，很難進行微孔層的涂覆；最后，商業微孔層的一體化結構導致壽命到期的燃料電池催化層和微孔層融合后整個膜電極組件難以直接拆分，且催化劑會在拆分后粘附于氣體擴散層上，不僅增加了膜電極拆解回收催化劑的難度，同時也使得擁有更長壽命的氣體擴散層在催化劑的回收中結構損壞。

為解決商業微孔層的結構缺點，中國發明專利CN113964330A公布了一種干法模壓得到的無碳紙自支撐微孔層。該微孔層的植被采用干法方法，避免了濕法因溶劑揮發導致表面產生裂紋和表面粗糙的問題，避免了水在缺陷處聚集，緩解了水淹問題，強化了燃料電池的傳質。但是用該方法制備的微孔層一方面沒有具有大孔結構的基底層進行氣體的強化分配，另一方面在微孔層制備過程中需要加入大量造孔劑并進行酸洗除去造孔劑，可能會引入離子影響電池性能。此外，該微孔層的結構未明確能否增強燃料電池的可回收性，因此，其應用可能受限。

中國發明專利CN102694184A引入了一種獨立式微孔層結構，該微孔層的結構不依賴于大孔基底層存在，避免了微孔層的在涂覆過程中引起的穿透具有大孔結構的基底層中，使大孔結構豐富的空隙結構的到了保持，傳質性能得到了一定的保障。但該專利中微孔層為商用微孔層，具有較差的可調控性，同時，該微孔層制備的膜電極仍然為一體化的結構，因此在微孔層的回收和氣體擴散層的重復利用中難以發揮作用。

鑒于此，本發明提供一種能夠與基礎層獨立于基礎層存在的，能夠通過直接組裝/拆卸的獨立式微孔層，在保證氣體擴散層的良好性能之余，且能夠重復反復利用，以解決先有技術存在的技術問題。

發明內容