CN117276576A - 一种质子交换膜燃料电池的微孔层及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的微孔层及其制备方法与应用。本发明所述微孔层由微孔层浆料按照疏水性由高到低的顺序依次分层喷涂或刮涂在基底上而得到；所述微孔层浆料包括疏水性浆料和粘结剂。本发明通过化学嫁接法将疏水硅烷接枝到碳材料表面，然后将疏水改性后的碳材料与亲水碳材料不同质量比混合，依次分层喷涂或刮涂在碳基底上形成梯度疏水的微孔层。采用上述方法制备的梯度疏水微孔层相较于单一疏水性微孔层具有更高的极限电流密度和输出功率。

Description

一种质子交换膜燃料电池的微孔层及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及用于直接转变化学能为电能技术领域，尤其是指一种质子交换膜燃料电池的微孔层及其制备方法与应用。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组件为膜电极(MEA)，主要由气体扩散层(GDL)、催化层(CL)和质子交换膜(PEM)组成。气体扩散层位于催化层和气体流场之间，起到支撑催化层和收集电流的作用，同时也是反应气体和产物水的传输通道。在PEMFC运行过程中，一方面电极内要保存一定量的水来保证膜的润湿性，降低膜电阻，从而降低欧姆过电位；另一方面液态水含量不能过多，大量的液态水会占据气体扩散层孔隙并覆盖催化剂的表面，使反应气的传输阻力大大增加，发生电极“水淹”现象，造成严重的浓差极化损失。因此，电极内的水要在既保证膜的充分润湿又避免电极“水淹”之间达到平衡，才能有效提高电池性能。为改善反应气和液态水在GDL中的传质，通常对碳纸或碳布进行疏水化处理，构建疏水的气相通道，同时在碳纸或碳布和催化层之间添加一层由导电碳黑和聚四氟乙烯(PTFE)混合制成的微孔层(MPL)以改善PEMFC中的水气传输。
为了达到低湿度下电极内膜的水合以及高湿度下电池的及时排水，制备疏水微孔层非常重要。然而，通常采用的疏水剂PTFE聚合物，通过与碳黑混合和涂覆达到疏水的目的，阻抗较大，而且物理涂覆相对不够均匀，易堵塞微孔层的空隙，一定程度上阻碍了电池的性能提升。
因此，对于燃料电池在不同湿度环境下工作，研发新的疏水微孔层制备工艺，提高稳定性和传质效率具有十分重要的意义。
发明内容
为了提高质子交换膜燃料电池在不同湿度环境下微孔层疏水的适应性，从而提升燃料电池的输出功率和耐久性，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法与应用，即一种新的微孔层制备方法，采用化学嫁接法将疏水剂在材料上表面进行分子层次均匀接枝，然后将疏水改性后的碳材料与亲水碳材料以不同质量比混合，依次分层喷涂或刮涂在碳基底上形成梯度疏水结构，从而构建高性能梯度疏水微孔层。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明的第一个目的是提供一种质子交换膜燃料电池的微孔层，所述微孔层由微孔层浆料按照疏水性由高到低的顺序依次分层喷涂或刮涂在基底上而得到；所述微孔层浆料包括疏水性浆料和粘结剂。
在本发明的一个实施例中，所述微孔层浆料的疏水性的水接触角为90°-151°。
在本发明的一个实施例中，所述疏水性浆料为碳粉和硅烷改性碳粉的混合物。
在本发明的一个实施例中，所述碳粉选自碳黑、合成碳、石墨、石墨烯和碳纳米管中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述硅烷改性碳源通过以下方法制备得到：碳粉经过表面羟基化处理后与硅烷在溶剂中混合加热，得到所述硅烷改性碳粉。
在本发明的一个实施例中，所述硅烷改性碳源通过以下方法制备得到：碳粉经过表面羟基化处理后与溶剂混合，再用酸调节体系pH至2～6，再加入硅烷混合，然后60℃～200℃加热搅拌1～8小时，再经过过滤、洗涤滤饼、干燥，得到所述硅烷改性碳粉。
在本发明的一个实施例中，所述溶剂为小分子醇与水的混合液，小分子可以为乙醇、甲醇或乙二醇；小分子醇与水的质量比例为1∶(0.2～9)。
在本发明的一个实施例中，所述碳粉与硅烷的质量比为2∶1.25～25。
在本发明的一个实施例中，所述碳源选自碳黑、合成碳、石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种。
在本发明的一个实施例中，所述硅烷选自乙烯基类硅烷、氯烃基类硅烷、氨烃基类硅烷、环氧烃基类硅烷、甲基丙烯酰氧烷基类硅烷、含硫烃基类硅烷、拟卤素类硅烷和烷烃类硅烷中的一种或多种。
其中，乙烯基类硅烷如乙烯基三氯硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、乙烯基甲基二氯硅烷等；氯烃基类硅烷如γ-氯丙基三氯硅烷、γ-氯丙基三甲氧基硅烷、氯甲基三乙氧基硅烷等；氨烃基类硅烷如γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-脲丙基三甲氧基硅烷、苯胺甲基三甲氧基硅烷等、环氧烃基硅烷如γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三乙氧基硅烷等；甲基丙烯酰氧烷基类硅烷如γ-甲基丙烯酰氧丙基三氯硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(KH570)、聚甲基硅氧烷等；含硫烃基类硅烷如γ-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、双-(3-三乙氧硅丙基)四硫化物等；拟卤素类硅烷如β-氰乙基三氯硅烷、β-氰乙基甲基二氯硅烷、β-氰乙基三乙氧基硅烷等；烷烃类硅烷如十六烷基三甲氧基硅烷、十八烷基三氯硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷等。
在本发明的一个实施例中，所述基底为碳纸和/或碳布。
本发明第二目的是提供一种质子交换膜燃料电池的微孔层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将硅烷改性碳粉和碳粉通过不同的质量比混合得到不同疏水性浆料；
将不同疏水性浆料分别与分散剂和粘结剂混合，按照疏水性由高到低的顺序依次喷涂或刮涂于基底上，干燥后，得到所述质子交换膜燃料电池的微孔层。
在本发明的一个实施例中，所述硅烷改性碳粉与碳粉的质量比为1:6-10:0。
在本发明的一个实施例中，所述分散剂为异丙醇、酒精和乙二醇中的一种或多种；所述硅烷改性碳粉、粘接剂与分散剂的用量比为(0.03～0.1)g∶(0.05～0.2)g∶10mL。
在本发明的一个实施例中，所述粘接剂为常规电池用粘接剂。
本发明第三个目的是提供所述的质子交换膜燃料电池的微孔层在制备燃料电池膜电极中的应用。
本发明还提供了一种燃料电池用气体扩散层，包括导电基底以及位于导电基底上的疏水性浆料、粘接剂；本发明中碳基元不团聚，未发生相分离，分布均匀性好，避免造成电极的“水淹”，此外，耐水冲刷能力强。
本发明的一个实施例中，所述碳粉经过表面羟基化处理的方法为：以铁盐与双氧水处理碳粉，得到表面羟基化处理碳粉，优选的，碳粉、铁盐、双氧水的用量比为1g∶(4～5)g∶(200～300)mL；或者以强氧化剂处理碳粉，得到表面羟基化处理碳粉，其中，强氧化剂为酸与高锰酸钾酸，比如硝酸或者硫酸，优选的，碳粉、酸的用量比为1g∶(150～300)mL，碳粉、高锰酸钾的用量比为1g∶(0.05～0.07)mol。比如，以1g碳粉与200mL的65wt％的浓硝酸或200mL的0.3M KMnO4溶液，于80～100℃回流4h～12h，然后充分洗涤、干燥，得到表面羟基化的碳粉。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的微孔层及其制备方法与应用。本发明的梯度疏水微孔层的制备方法避免了高温热处理过程；提高了微孔层中疏水导电碳粉的均匀分散程度；提高了微孔层中疏水导电碳粉结合的稳定性；提高了燃料电池的工作电流和电压，提升了燃料电池在不同湿度下的输出功率。
微孔层中通常采用聚四氟乙烯(PTFE)作为疏水剂，从而有利于电池反应产物水的及时排出，但PTFE由于其自身属性存在一些弊端。本发明中通过化学嫁接法将疏水硅烷接枝到碳材料表面，然后将疏水改性后的碳材料与亲水碳材料不同质量比混合，依次分层喷涂或刮涂在碳基底上形成梯度疏水的微孔层。采用上述方法制备的梯度疏水微孔层相较于单一疏水性微孔层具有更高的极限电流密度和输出功率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的水气传输示意图；
图2为本发明实施例1导电碳黑改性前后的FTIR对比图；
图3为本发明实施例1制得的不同疏水碳黑的接触角；
图4为本发明实施例1制得的阴极气体扩散层组装的燃料电池与以改性碳黑和未改性碳黑质量比10:0混合(对比例1)的碳黑作为阴极气体扩散层组装的燃料电池的性能曲线对比图；
图5为本发明实施例1制得的阴极气体扩散层组装的燃料电池与以改性碳黑和未改性碳黑质量比7:3混合(对比例2)的碳黑作为阴极气体扩散层组装的燃料电池的性能曲线对比图；
图6为本发明实施例1制得的阴极气体扩散层组装的燃料电池与以改性碳黑和未改性碳黑质量比5:5混合(对比例3)的碳黑作为阴极气体扩散层组装的燃料电池的性能曲线对比图；
图7为本发明实施例1制得的阴极气体扩散层组装的燃料电池与和实施例1梯度疏水结构相反的梯度结构(对比例4)作为阴极气体扩散层组装的燃料电池的性能曲线对比图。
具体实施方式
质子交换膜燃料电池的气体扩散层除了提供排水功能，对保持催化剂层水的排出以及气体向催化剂层的扩散能力也有影响，可能存在高电流密度下电池性能下降的问题。本发明将碳粉经过表面羟基化处理后与溶剂、硅烷混合，然后加热搅拌，得到硅烷改性碳粉；再将碳粉、硅烷改性碳粉、粘接剂、分散剂混合得到微孔层浆料；然后将微孔层浆料与导电基底复合，干燥后得到燃料电池用气体扩散层；其具有优异的疏水性能以及良好的排水性能，尤其是，提高了气体向催化剂反应层的扩散，从而可实现更高的电流密度和电压，提升了燃料电池在各湿度下的输出功率。
作为示例，本发明公开的燃料电池用气体扩散层的制备方法如下：
1)将导电碳粉进行表面羟基化处理，使得表面具有-OH等含氧官能团后，加入去离子水和乙醇或甲醇或乙二醇的混合溶液中，水和醇的比例在0.2～9∶1，常规超声分散10～60分钟，形成均匀的分散液；
2)加入乙酸或盐酸水溶液调节溶液pH至2～6；
3)将硅烷加入上述溶液中，碳粉与硅烷的质量比例为2∶1.25～25，升温至60℃～150℃，常规机械搅拌1～8h，待硅烷与碳粉反应结束后，将溶液进行离心清洗或抽滤清洗，依次用水和乙醇反复洗涤，将洗干净的材料放入60℃烘箱烘干待用；
4)将干燥的改性后的碳粉加入异丙醇、酒精和乙二醇的一种或几种的混合溶液中，再加入粘结剂Nafion溶液，Nafion含量为1～50wt.％，超声分散1～8h形成微孔层浆料；
5)将微孔层浆料喷涂或刮涂在碳纸基底上，干燥后称重，然后重复该步骤直到导电碳粉的负载量达到0.5mg/cm2～3.0mg/cm2，得到燃料电池用气体扩散层。
测试方法：将制备好的气体扩散层作为阴极气体扩散层，与以商业催化剂Pt/C(Pt含量48.5wt％)制备的膜电极和商业阳极气体扩散层组装到燃料电池后进行测试。经活化处理后，进行稳态测试，最后进行极化曲线和功率密度测试，在60℃、30％相对湿度、H2和空气化学计量比为1.5：2、前压为102/71(Kpa)、背压为100/100(Kpa)下进行，测试面积为25cm2。测试使用美国的燃料电池测试系统(Scribner Associates,Inc，850e)。
为了便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实例仅仅是帮助理解本发明，并不因此将本发明限制在所属实例范围之中。本发明涉及的原料都为电池用常规产品，具体制备操作以及测试方法都为常规方法。
以下实施例和对比例中所有的电池除了阴极气体扩散层之外，其它组成都一样。
实施例1
以1g碳黑(SuperP，粒径～50nm)与4.5g FeCl2·4H2O、250mL过氧化氢水溶液(H2O2:H2O＝1:3，体积比)常规混合搅拌1小时，然后使用0.1M盐酸溶液对反应产物进行过滤洗涤以去除产物中残留的铁离子，最后充分洗涤、干燥，得到表面羟基化的碳黑；称取0.2g表面羟基化的碳黑，进行处理后，加入45mL乙醇和5mL去离子水的混合溶液中，超声分散30分钟；
用乙酸溶液(0.1M)调节PH至2，加入1mL十二烷基三甲氧基硅烷，80℃水浴搅拌4h，再将溶液进行离心清洗，依次用水和乙醇洗涤，将洗干净的材料放入60℃烘箱烘干，所得到的硅烷改性的导电碳黑的傅里叶红外光谱(FTIR)结果如图2所示，由图2中可以看到硅烷改性后的导电碳黑在2972cm-1和2920cm-1处的峰为硅烷中的C-H基团，在1089cm-1和1047cm-1处的峰分别为Si-O-C、和Si-O-Si化学键，这些结果证明了硅烷接枝在了导电碳黑上，如图3中的a和b所示，未改性的亲水碳黑的水接触角为67°，而改性碳黑的疏水角为151°，实现了超疏水。
将上述硅烷改性碳黑与未改性的亲水碳黑以不同质量比(7:3和5:5)混合得到不同疏水性的碳黑，如图3的c和d所示，接触角分别为145°、139°，分别称取疏水性不同的碳黑0.05g，加入0.1g粘结剂Nafion溶液(5wt.％)和10mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料；
将微孔层浆料按照疏水性由高到低(水接触角依次为151°、145°、139°)依次分层喷涂或刮涂在碳纸基底上，并在75℃下烘干2h即得到梯度疏水MPL，SuperP型碳黑总负载量为1.5mg cm-2。
对比例1
采用实施例1中的碳黑super P，称取0.1g硅烷改性碳黑，加入0.1g粘结剂Nafion溶液(5wt.％)和10mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料，将浆料喷涂或刮涂在碳纸基底上，碳黑负载量为1.5mg cm-2。制备阴极气体扩散层(水接触角151°)，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，测试条件与实施例1相同。
将上述实施例1和对比例1制备的气体扩散层分别用作燃料电池的阴极扩散层组装成电池，进行单电池测试，电池性能曲线如图4所示，实施例1的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1352mW cm-2；对比例1的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1272mW cm-2。结果表明，与单一疏水性碳黑制备的阴极气体扩散层相比，采用本发明制备的阴极气体扩散层组装的燃料电池可实现更高的电流密度和电压，并提升了燃料电池的最高输出功率。
对比例2
采用实施例1中的碳黑superP，称取0.1g硅烷改性碳黑与未改性碳黑质量比7:3混合的碳黑，加入0.1g粘结剂Nafion溶液(5wt.％)和10mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料，将浆料喷涂或刮涂在碳纸基底上，碳黑负载量为1.5mg cm-2。制备阴极气体扩散层(水接触角145°)，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，测试条件与实施例1相同。
将上述实施例1和对比例2制备的气体扩散层分别用作燃料电池的阴极扩散层组装成电池，进行单电池测试，电池性能曲线如图5所示，实施例1的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1352mW cm-2；对比例2的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1042mW cm-2。结果表明，与单一疏水性碳黑制备的阴极气体扩散层相比，采用本发明制备的阴极气体扩散层组装的燃料电池可实现更高的电流密度和电压，并提升了燃料电池的最高输出功率。
对比例3
采用实施例1中的碳黑superP，称取0.1g硅烷改性碳黑与未改性碳黑质量比5:5混合的碳黑，加入0.1g粘结剂Nafion溶液(5wt.％)和10mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料，将浆料喷涂或刮涂在碳纸基底上，碳黑负载量为1.5mg cm-2。制备阴极气体扩散层(水接触角139°)，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，测试条件与实施例1相同。
将上述实施例1和对比例3制备的气体扩散层分别用作燃料电池的阴极扩散层组装成电池，进行单电池测试，电池性能曲线如图6所示，实施例1的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1352mW cm-2；对比例3的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1002mW cm-2。结果表明，与单一疏水性碳黑制备的阴极气体扩散层相比，采用本发明制备的阴极气体扩散层组装的燃料电池可实现更高的电流密度和电压，并提升了燃料电池的最高输出功率。
对比例4
采用实施例1中疏水性不同的碳黑，加入0.1g粘结剂Nafion溶液(5wt.％)和10mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料，将微孔层浆料按照疏水性由低到高(疏水角依次为139°、145°、151°)依次分层喷涂或刮涂在碳纸基底上，并在75℃下烘干2h即得到与实施例1结构相反的梯度疏水MPL，SuperP型碳黑总负载量为1.5mg cm-2，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，测试条件与实施例1相同。
将上述实施例1和对比例4制备的气体扩散层分别用作燃料电池的阴极扩散层组装成电池，进行单电池测试，电池性能曲线如图7所示，实施例1的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1352mW cm-2；对比例4的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为925mW cm-2。结果表明，与制备的结构相反的梯度疏水MPL相比，采用本发明制备的梯度疏水MPL组装的燃料电池可实现更高的电流密度和电压，并提升了燃料电池的最高输出功率。
实施例2
将实施例1中制备的改性碳黑与亲水碳黑不同质量比混合得到疏水性差异更大的碳黑(水接触角为90°、110°、130°)，分别称取疏水性不同的碳黑0.05g，加入0.1g粘结剂Nafion溶液(5wt.％)和10mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料；
将微孔层浆料按照疏水性由高到低(水接触角依次为151°、130°、110°)依次分层喷涂或刮涂在碳纸基底上，并在75℃下烘干2h即得到梯度疏水MPL，SuperP型碳黑总负载量为1.5mg cm-2。制备阴极气体扩散层，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，测试条件与实施例1相同。
对比例5
采用实施例2中的碳黑super P，称取0.1g碳黑(接触角为130°)，加入0.1g粘结剂Nafion溶液(5wt.％)和10mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料，将浆料喷涂或刮涂在碳纸基底上，碳黑负载量为1.5mg cm-2。制备阴极气体扩散层，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，测试条件与实施例2相同。
将上述实施例2和对比例5制备的气体扩散层分别用作燃料电池的阴极扩散层组装成电池，进行单电池测试，实施例2的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1235mW cm-2；对比例5的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1072mW cm-2。结果表明，与单一疏水性碳黑制备的阴极气体扩散层相比，采用本发明制备的阴极气体扩散层组装的燃料电池可实现更高的电流密度和电压，并提升了燃料电池的最高输出功率。
对比例6
采用实施例2中疏水性不同的碳黑，加入0.1g粘结剂Nafion溶液(5wt.％)和10mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料，将微孔层浆料按照疏水性由低到高(疏水角依次为110°、130°、151°)依次分层喷涂或刮涂在碳纸基底上，并在75℃下烘干2h即得到与实施例2结构相反的梯度疏水MPL，SuperP型碳黑总负载量为1.5mg cm-2，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，测试条件与实施例2相同。
将上述实施例2和对比例6制备的气体扩散层分别用作燃料电池的阴极扩散层组装成电池，进行单电池测试，实施例2的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1235mW cm-2；对比例4的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为867mW cm-2。结果表明，与制备的结构相反的梯度疏水MPL相比，采用本发明制备的梯度疏水MPL组装的燃料电池可实现更高的电流密度和电压，并提升了燃料电池的最高输出功率。
实施例3
将实施例1中制备的改性碳黑与亲水碳黑不同质量比混合得到疏水性差异更大的碳黑(水接触角为90°、110°、130°)，分别称取疏水性不同的碳黑0.05g，加入0.1g粘结剂Nafion溶液(5wt.％)和10mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料；
将微孔层浆料按照疏水性由高到低(水接触角依次为130°、110°、90°)依次分层喷涂或刮涂在碳纸基底上，并在75℃下烘干2h即得到梯度疏水MPL，SuperP型碳黑总负载量为1.5mg cm-2。制备阴极气体扩散层，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，测试条件与实施例1相同。
对比例7
采用实施例3中的碳黑super P，称取0.1g碳黑(接触角为110°)，加入0.1g粘结剂Nafion溶液(5wt.％)和10mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料，将浆料喷涂或刮涂在碳纸基底上，碳黑负载量为1.5mg cm-2。制备阴极气体扩散层，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，测试条件与实施例3相同。
将上述实施例3和对比例7制备的气体扩散层分别用作燃料电池的阴极扩散层组装成电池，进行单电池测试，实施例3的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1057mW cm-2；对比例7的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为816mW cm-2。结果表明，与单一疏水性碳黑制备的阴极气体扩散层相比，采用本发明制备的阴极气体扩散层组装的燃料电池可实现更高的电流密度和电压，并提升了燃料电池的最高输出功率。
对比例8
采用实施例3中疏水性不同的碳黑，加入0.1g粘结剂Nafion溶液(5wt.％)和10mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料，将微孔层浆料按照疏水性由低到高(疏水角依次为90°、110°、130°)依次分层喷涂或刮涂在碳纸基底上，并在75℃下烘干2h即得到与实施例3结构相反的梯度疏水MPL，SuperP型碳黑总负载量为1.5mg cm-2，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，测试条件与实施例3相同。
将上述实施例3和对比例8制备的气体扩散层分别用作燃料电池的阴极扩散层组装成电池，进行单电池测试，实施例3的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1057mW cm-2；对比例8的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为754mW cm-2。结果表明，与制备的结构相反的梯度疏水MPL相比，采用本发明制备的梯度疏水MPL组装的燃料电池可实现更高的电流密度和电压，并提升了燃料电池的最高输出功率。
本发明属于燃料电池技术领域，具体公开了气体扩散层中梯度疏水微孔层的制备方法与在质子交换膜燃料电池中的应用。通过化学嫁接法将疏水剂接枝于亲水的导电碳粉表面，然后将硅烷改性导电碳粉与未改性的亲水碳粉不同质量比混合制备成浆料，喷涂或刮涂在碳纸基底上形成气体扩散层中的梯度疏水微孔层。本发明公开的燃料电池气体扩散层的优点是：采用化学嫁接法将硅烷键合到碳基元表面，获得疏水导电剂在分子层次上的均匀分布，从而构建梯度微孔层，该梯度输水微孔层相较于单一疏水微孔层更具优势，并且有效促进了三相界面的水气传输(水气传输示意图如图1所示，其中正向是指疏水性由高到低，反向是指疏水性由低到高)，提高了燃料电池的输出功率，为强化燃料电池气体扩散层的水/气传输特性和提高燃料电池的性能开辟了一条有前景的途径。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池的微孔层，其特征在于，所述微孔层由微孔层浆料按照疏水性由高到低的顺序依次分层喷涂或刮涂在基底上而得到；所述微孔层浆料包括疏水性浆料和粘结剂。
2.根据权利要求1所述的微孔层，其特征在于，所述微孔层浆料的疏水性的水接触角为90°-151°。
3.根据权利要求1所述的微孔层，其特征在于，所述疏水性浆料为碳粉和硅烷改性碳粉的混合物。
4.根据权利要求3所述的微孔层，其特征在于，所述碳粉选自碳黑、合成碳、石墨、石墨烯和碳纳米管中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的微孔层，其特征在于，所述硅烷改性碳源通过以下方法制备得到：碳粉经过表面羟基化处理后与硅烷在溶剂中混合加热，得到所述硅烷改性碳粉。
6.根据权利要求5所述的微孔层，其特征在于，所述硅烷选自乙烯基类硅烷、氯烃基类硅烷、氨烃基类硅烷、环氧烃基类硅烷、甲基丙烯酰氧烷基类硅烷、含硫烃基类硅烷、拟卤素类硅烷和烷烃类硅烷中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的微孔层，其特征在于，所述基底为碳纸和/或碳布。
8.一种质子交换膜燃料电池的微孔层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将硅烷改性碳粉和碳粉通过不同的质量比混合得到不同疏水性浆料；
将不同疏水性浆料分别与分散剂和粘结剂混合，按照疏水性由高到低的顺序依次喷涂或刮涂于基底上，干燥后，得到所述质子交换膜燃料电池的微孔层。
9.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂为异丙醇、酒精和乙二醇中的一种或多种；所述硅烷改性碳粉、粘接剂与分散剂的用量比为(0.03～0.1)g∶(0.05～0.2)g∶10mL。
10.权利要求1-7任一项所述的质子交换膜燃料电池的微孔层在制备燃料电池膜电极中的应用。
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