本技术属于氢燃料电池，具体涉及一种导电浆料、导电浆料的制备方法、气体扩散层、气体扩散层的制备方法以及氢气燃料电池。
背景技术：
1、氢燃料电池是一种利用氢气和氧气的反应产生电能的装置。与传统的化石能源不同，氢燃料电池产生的电能不会产生有害气体排放，是一种环保、高效的能源转换技术，同时还具备结构简单紧凑、噪音低、可靠性高、模块化、对负载变化快速响应等显著优点，被誉为21世纪的主要能源之一，是继火电、水电、核电之后的第四代发电方式。目前，氢燃料电池已经在交通运输、电力和能源储存、航天航海、军事防卫、移动通讯等领域得到了广泛的应用，在全球能源结构变革中占有重要地位，是各国实现能源安全战略及低碳目标的重要路径之一。因此，研究人员投入了巨大精力开发高效的氢燃料电池，以满足未来在交通运输、定置式发电、便携式电源等系统的应用。相较于锂电池，氢燃料电池更能够满足长续航、高温、高寒工况环境需求。
2、伴随着加氢站不断建成、氢燃料电池产业趋于完善、氢燃料电池系统成本下降，我国氢燃料电池市场规模将继续增长。
3、氢燃料电池目前主要包括碱性氢燃料电池(afc)、质子交换膜氢燃料电池(pemfc)、磷酸氢燃料电池(pafc)、熔融碳酸盐氢燃料电池(mcfc)、固体氧化物氢燃料电池(sofc)。其中，质子交换膜氢燃料电池(pemfc)因其操作温度(约80℃)低、功率密度高、启动快且对负载变化响应快，在最近几年备受关注，也是目前应用最广泛的一种氢燃料电池类型。
4、质子交换膜氢燃料电池的核心是膜电极，是多项物质传输和电化学反应的核心场，被形象地称为燃料电池的“心脏”。不过，我国主要的膜电极供应商头部企业虽然已经实现膜电极自主制备，但核心材料主要依赖进口，特别是气体扩散层是目前国产化率最低的氢燃料电池核心原材料。
5、根据美国能源部doe的测算，在大规模生产(50万台/年)的情况下，膜电极占燃料电池电堆成本的60％左右，而电堆成本在燃料电池系统中的占比超过60％，燃料电池系统在氢能车购置成本中占比同样超过60％。也就是说，降低膜电极的成本是降低电堆和燃料电池系统成本的核心，而降低膜电极的成本则取决于核心材料的国产化。因此，越来越多的国内企业和科研院所开始投入大量研发力量来攻克其技术壁垒，以加快核心原材料的国产化进程。膜电极主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层三部分组成，在相应温度和压力下，热压成为三合一组件，其承担了燃料电池全部电化学反应，以及电子、质子、气体和水的传导，决定了电堆的性能、寿命和成本，高性能、低成本、长寿命的膜电极对于加速氢燃料电池商业化进程具有非常重要的意义。
6、燃料气体氢气经过阳极气体扩散层到达催化剂层，在催化剂的作用下发生电极反应，产生的电子通过催化剂层的传导流经外电路到达阴极，同时氢离子在质子交换膜的作用下到达阴极。氧气通过阴极气体扩散层后与氢离子和电子在催化剂作用下发生电极反应生成水。生成的水必须及时排出，以免发生“水淹电极”的现象。由此可知气体扩散层在电极中不仅起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能。因此，气体扩散层(gdl)作为膜电极的重要组成部分之一，要想获得持久优秀的电池性能，必须满足以下要求：1.均匀的多孔质结构，透气性能好；2.电阻率低，电子传导能力强；3.结构紧密且表面平整，减小接触电阻，提高导电性能；4.具有一定的机械强度，适当的刚性与柔性，利于电极的制作，提供长期操作条件下电极结构的稳定性；5.适当的亲水/憎水平衡和孔结构，防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降(即“水淹”现象)；6.具有化学稳定性和热稳定性等特点。气体扩散层基底材料主要包括碳纤维纸、碳纤维编织布、碳纤维非纺材料等，因其具有优异的导电、导热、化学和热稳定性。但是基材的孔结构较大不能实现均匀的气体传输和有效的保持气液平衡，且表面平整度差导致与催化剂层接触不够充分、接触电阻高，缺陷点容易刺破质子交换膜等风险。因此，在碳纤维上需要涂覆一层导电的微孔层(mpl)，其孔结构的设计和控制，对气体扩散层的综合性能起到了至关重要的作用。
7、表1：各类无机盐的热分解率(80℃/30分钟)
8、 名称 初始克重/g 热解后克重/g 热分解率％ 碳酸氢铵 0.1035 0.0091 91.2％ 碳酸铵 0.1241 0.0064 94.8％ 醋酸铵 0.0982 0.0000 100.0％
9、公开号为cn102024961a且标题为“一种质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法”的中国发明专利申请公开了一种质子膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，通过在涂层浆料中添加一定比例造孔剂，如碳酸铵、碳酸氢铵、草酸铵，涂覆后在340℃下高温烧结使其造孔剂分解制得微孔涂层。但是，如表1所示，大部分这类无机盐分解温度较低、分解速度快，可能在涂层还未完全干燥时就已经开始分解，容易导致涂层塌陷影响孔结构。同时，无机盐分解时产生大量气泡，引起涂层表面开裂、孔径太大且分布不均，从而严重影响电池的电化学性能和耐久性。
技术实现思路
1、本技术之目的在于提供一种氢燃料电池用均匀多孔结构的气体扩散层及其制备方法，以克服现有技术的缺陷。本技术通过使用聚多巴胺作为造孔剂，使得制备的气体扩散层表面均匀平整，且具有优异的导电性和耐久性。本文所述的气体扩散层在水管理上更为出色，具有更好的电池性能，同样的加载电压下具有更高的电流。
2、为了解决上述技术问题，本技术提供下述技术方案。
3、在第一方面中，本技术提供一种导电浆料，所述导电浆料的原料组分包含：碳粉、第一疏水剂、炭黑分散剂、造孔剂和溶剂；
4、其中，所述造孔剂为盐酸多巴胺在弱碱性溶液环境下发生原位聚合反应所生成聚多巴胺。
5、在第一方面的一种实施方式中，碳粉占所述导电浆料总重的固体成分质量百分比的30～70％，优选为40～60％；
6、第一疏水剂占所述导电浆料总重的固体成分质量百分比的10～50％，优选为20～40％；
7、炭黑分散剂占碳粉总重的30～70％，优选为40～60％；
8、造孔剂占碳粉总重的10～50％，优选为25～35％。
9、在第一方面的一种实施方式中，所述碳粉选自疏水改性炭黑、乙炔黑、导电炭黑xc72、珍珠黑和科琴黑中的一种或几种混合物。
10、在第一方面的一种实施方式中，所述第一疏水剂选用ptfe乳液。
11、在第一方面的一种实施方式中，所述炭黑分散剂为tego 760w、tego 755w、solsperse w210、solsperse w205中的一种或几种。
12、在第一方面的一种实施方式中，所述溶剂为水以及选自下述中的一种或几种：乙醇、乙二醇、异丙醇和正丙醇。
13、在第二方面中，本技术提供如第一方面所述的导电浆料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
14、s10：混合碳粉、第一疏水剂、炭黑分散剂和溶剂，得到第一混合溶液，并将所述第一混合溶液的ph调节至7.5～10，优选地调节至7.5～8.5；
15、s20：在搅拌条件下，混合盐酸多巴胺和第一混合溶液，并在聚多巴胺达到目标聚合程度时，终止反应，得到所述导电浆料。
16、在第三方面中，本技术提供一种气体扩散层，所述气体扩散层依次包括：
17、基材层；
18、以及，设置在所述基材层上的微孔层；
19、其中，所述基材层包含在340-400℃下烧结之后的第二疏水剂，所述第二疏水剂全部渗透至所述基材层的内部，且所述基材层的上表面和下面都不包含由所述第二疏水剂形成的具有一定厚度的薄膜层；
20、其中，所述微孔层由如第一方面所述的导电浆料制成。
21、在第三方面的一种实施方式中，所述微孔层包括至少第一微孔层和第二微孔层，所述第一微孔层比所述第二微孔层更靠近所述基材层，且所述微孔层的微孔的孔隙率和孔径沿着从所述第一微孔层到所述第二微孔层的方向逐渐降低。
22、在第三方面的一种实施方式中，所述基材层包括下述中的一种或几种：碳纤维纸、碳纤维无纺布、碳纤维编织物。
23、在第三方面的一种实施方式中，当所述微孔层为单层微孔层时，其厚度为10～100μm，优选为20～80μm，更优选为30～70μm；当所述微孔层为两层或多层微孔层时，其总厚度为10～100μm，优选为20～80μm，更优选为30～70μm。
24、在第四方面中，本技术提供如第三方面所述的气体扩散层的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
25、s1、将憎水预处理层浆料涂布到基材层上，烘干及高温烧结；
26、s2、将第一微孔层浆料涂布到步骤s1获得的样品上，烘干；
27、s3、若是二层微孔层，将第二微孔层浆料涂布到步骤s2获得的样品上，烘干；
28、s4：以此类推，若是多层微孔层，重复s2和s3步骤；
29、s5、所有涂层的涂布及烘干步骤完毕后，放入高温烘箱或马弗炉中进行高温烧结，即可。
30、在第四方面的一种实施方式中，所述烘干为80～120℃干燥5～20分钟；所述高温烧结温度为340～400℃，烧结时间10～60分钟，优选高温烧结温度为370～380℃，烧结时间30～40分钟。
31、在第四方面的一种实施方式中，在步骤s1中，所述涂布为喷涂和浸涂，s2～s4中，所述涂布为丝网印刷、凹版涂布、狭缝涂布、喷涂或者刮涂。
32、在第五方面中，本技术提供一种氢气燃料电池，包含如第三方面所述的气体扩散层。
33、与现有技术相比，本发明的积极效果在于：本发明涉及一种氢燃料电池用气体扩散层，依次包括基材层和微孔层，其中微孔层可以是单层结构，也可以是至下而上孔隙率逐渐降低的二层或多层梯度结构。本发明技术方案所述气体扩散层微孔层制备工艺中所用的浆料采用原位聚合多巴胺作为造孔剂，各微孔层的孔隙率和孔径大小通过多巴胺添比例和聚合反应条件来控制。本发明制备方法能够明显改善气体扩散层材料的均一性、表面平整性、导电性和耐久性，同时用该气体扩散层制备的燃料电池性能有显著提升。
1.一种导电浆料，其特征在于，所述导电浆料的原料组分包含：碳粉、第一疏水剂、炭黑分散剂、造孔剂和溶剂；
2.如权利要求1所述的导电浆料，其特征在于，碳粉占所述导电浆料总重的固体成分质量百分比的30～70％，优选为40～60％；
3.如权利要求1或2所述的导电浆料，其特征在于，所述碳粉选自疏水改性炭黑、乙炔黑、导电炭黑xc72、珍珠黑和科琴黑中的一种或几种混合物。
4.如权利要求1或2所述的导电浆料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
5.一种气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层依次包括：
6.如权利要求1所述的气体扩散层，其特征在于，所述微孔层包括至少第一微孔层和第二微孔层，所述第一微孔层比所述第二微孔层更靠近所述基材层，且所述微孔层的微孔的孔隙率和孔径沿着从所述第一微孔层到所述第二微孔层的方向逐渐降低。
7.如权利要求4或5所述的气体扩散层，其特征在于，所述基材层包括下述中的一种或几种：碳纤维纸、碳纤维无纺布、碳纤维编织物。
8.如权利要求5所述的气体扩散层，其特征在于，当所述微孔层为单层微孔层时，其厚度为10～100μm，优选为20～80μm，更优选为30～70μm；当所述微孔层为两层或多层微孔层时，其总厚度为10～100μm，优选为20～80μm，更优选为30～70μm。
9.如权利要求1-3中任一项所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烘干为80～120℃干燥5～20分钟；所述高温烧结温度为340～400℃，烧结时间10～60分钟，优选高温烧结温度为370～380℃，烧结时间30～40分钟。
11.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述涂布为喷涂和浸涂，s2～s4中，所述涂布为丝网印刷、凹版涂布、狭缝涂布、喷涂或者刮涂。
12.一种氢气燃料电池，其特征在于，包含如权利要求5-8中任一项所述的气体扩散层。
