【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于质子交换膜燃料电池阴极微孔层制备，具体涉及一种具有高效水管理的微孔层及其制备方法和应用。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池(pemfc)以氢气和氧气为反应气体，因其工作温度低、零排放，pemfcs作为固定式和便携式电子设备被广泛使用，因此作为未来的能源获得了广泛的关注。这种可再生能源系统的广泛采用促进了氢经济的发展，被认为是全球能源危机的潜在解决方案。众所周知，pemfc由质子交换膜(pem)、催化剂层(cl)、气体扩散层(gdl)和双极板(bps)等多种成分组成。gdl主要有基底层和微孔层(mpl)两部分组成。mpl起到了改善基底层和cl之间接触界面的作用。在pemfc中，氢气和氧气分别通过mpl到达阳极和阴极的催化剂层。在阴极催化剂层产生的水倾向于移动到膜中或返回mpl。
2、在燃料电池可能发生的各种水管理问题，水管理问题是指燃料电池内部发生“缺水”或“水淹”的现象。当然，带有离子基团的质子交换膜被水电离。为了保持有效的质子电导率，需要具有正确的水分含量。然而，过量的水会导致电极泛滥，从而阻止电化学反应。因此，mpl的材料设计可以实现更有效的水管理和更好的电化学性能。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种具有高效水管理的微孔层及其制备方法和应用，该方法将具有高孔隙率zif材料引入微孔层，能够对质子交换膜燃料电池运行过程中系统内产生的液态水优化管理，得到具有高电化学的质子交换膜燃料电池，进而解决质子交换膜燃料电池实际使用中优化燃料电池水管理的技
2、本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的：
3、本专利技术提供了一种具有高效水管理的微孔层的制备方法，包括以下步骤：
4、(1)利用醇系合成法，制备含有co、fe、zn掺杂多孔前驱体的混合溶液；
5、(2)将步骤(1)中制备的混合溶液进行离心处理，然后冷冻干燥，得到前驱体粉末，将前驱体粉末置入管式炉内，进行碳化处理，制备co、fe元素掺杂的zif衍生多孔导电材料；
6、(3)将步骤(2)中制得的zif衍生多孔导电材料与nafion离聚物、水和有机溶剂按比例混合，制成悬浮液，后进行超声处理，得到微孔层浆料；
7、(4)基底层放置于加热台上，将步骤(3)中所制备的微孔层浆料采用特定方法喷涂在碳纸上并形成特定功能结构，溶剂蒸发后即得微孔层。
8、进一步的，在步骤(1)中，所述混合溶液的具体制备步骤为：
9、1)将分别含有co、fe、zn元素的化合物溶解在甲醇中，后加入聚乙烯吡咯烷酮，超声处理10min后磁力搅拌20min，得到均匀、透明的混合物；
10、2)将科琴黑加入上述制备得到的混合物中以吸收金属原子，再依次进行5min超声处理和40min磁力搅拌，并进行冰水浴处理，得到冰水浴中的混合物；
11、3)将含有2-甲基咪唑的甲醇溶液在400rpm的磁力搅拌下快速加入所述冰水浴中的混合物中，并继续搅拌40min，得到co、fe、zn掺杂多孔前驱体的混合溶液；
12、其中，含有fe元素的化合物为无水硫酸亚铁、硫化亚铁中的一种，含有co元素的化合物为六水合硝酸钴或乙酸钴或醋酸钴中的一种，含有zn元素的化合物为醋酸锌。
13、进一步的，在步骤(2)中，所述碳化处理的具体步骤为：将所述前驱体粉末在50-500mlmin-1ar保护下，在900-1500℃下热解2-5h，炭化后，在ar连续流动下自然冷却至室温。
14、进一步的，在步骤(3)中，所述zif衍生多孔导电材料与nafion离聚物、水和有机溶剂的质量份之比为质量份之比为(25～50)：(1～10)：(13-25)：(32-64)；所述悬浮液的浓度为1-10g/l；所述超声处理的时间为60min。
15、进一步的，在步骤(4)中，所述加热台的温度为60-80℃，所述基底层包括碳纸、碳布、泡沫金属中的任一种，所述特定方法包括利用模版、丝网印数或喷墨打印的方式得到所述特定功能结构。
16、本专利技术还提供了一种所述的制备方法所制备得到的具有高效水管理的微孔层。
17、本专利技术还提供了一种所述的具有高效水管理的微孔层在提高燃料电池水管理和电化学性能中的应用。
18、本专利技术有益效果在于：
19、本专利技术提供的一种具有高效水管理的低温(80度)制备微孔层方法，可适用的原材料广泛，制备流程简单，处理条件温和。
20、与一般制备微孔层相比，本专利技术将具有孔隙率高导电性好的的zif材料引入成微孔层配方，能够实现较好的气体传输和水管理能力，降低氧传输阻力，得到具有高电化学性能的质子交换膜燃料电池。且所制备的功能结构利用图案化构造，可以有效维持膜电极内部的水的动态平衡，能够实现更好的水管理，并最终提高燃料电池性能。
21、氢氧反应产生的水和外界反应气体所带来的水分子，会制约燃料电池内部的水管理失衡，引起“水淹”和“缺水”的问题，会影响气体传输效率降低反应速率，以及催化层中的离聚物和质子交换膜的质子导电率。现有研究表明，在燃料电池运行过程中，水管理失衡，导致燃料电池电化学性能大幅度下降，可以作为对此假设支持的有力证据。因此，在微孔层材料中引入带有高导电性多孔zif材料，相较于炭黑、乙炔黑、碳纳米管等材料，zif材料较高的孔隙率能够提高反应效率，使得质子交换膜燃料电池在实际运行中的电化学性能得到了大幅度提升。
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1.一种具有高效水管理的微孔层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的具有高效水管理的微孔层的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述混合溶液的具体制备步骤为：
3.根据权利要求1所述的具有高效水管理的微孔层的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述碳化处理的具体步骤为：将所述前驱体粉末在50-500mLmin-1Ar保护下，在900-1500℃下热解2-5h，炭化后，在Ar连续流动下自然冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的具有高效水管理的微孔层的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述ZIF衍生多孔导电材料与Nafion离聚物、水和有机溶剂的质量份之比为质量份之比为(25～50)：(1～10)：(13-25)：(32-64)；所述悬浮液的浓度为1-10g/L；所述超声处理的时间为2h。
5.根据权利要求1所述的具有高效水管理的微孔层的制备方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述加热台的温度为60-80℃，所述基底层包括碳纸、碳布、泡沫金属中的任一种，所述特定方法包括利用模版、丝网印数或喷墨打印的方式得
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的制备方法所制备得到的具有高效水管理的微孔层。
7.一种利用权利要求6所述的具有高效水管理的微孔层在提高燃料电池水管理和电化学性能中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种具有高效水管理的微孔层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的具有高效水管理的微孔层的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述混合溶液的具体制备步骤为：
3.根据权利要求1所述的具有高效水管理的微孔层的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述碳化处理的具体步骤为：将所述前驱体粉末在50-500mlmin-1ar保护下，在900-1500℃下热解2-5h，炭化后，在ar连续流动下自然冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的具有高效水管理的微孔层的制备方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述zif衍生多孔导电材料与nafion离聚物、水和...
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