燃料电池气体扩散层用碳纸或碳布的制备方法技术

燃料电池气体扩散层的制备方法，将碳黑粉末、蒸馏水、分散剂按照以下比例混合均匀，分散剂的量占碳黑的５－３０ｗｔ％，碳黑粉末的量为整个体系的１－２０ｗｔ％；碳黑的颗粒为３０－１０００ｎｍ；将１０－６０％浓度的ＰＴＦＥ或ＰＶＤＦ乳液均匀加入上述所述的碳黑粉末分散体系中，并继续混合０．５－３小时；混合方法采用超声波、机械高速剪切或机械搅拌；体系中ＰＴＦＥ或ＰＶＤＦ的含量为碳黑的１０－５０ｗｔ％；将碳纸或碳布放入上述的分散体系中浸渍０．５－１５ｍｉｎ，取出晾干，并放入干燥箱在４５－１５０℃烘干５－６０ｍｉｎ，得到载有碳黑和ＰＴＦＥ或ＰＶＤＦ的碳纸或碳布。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池部件的制备，尤其是燃料电池气体扩散层的一种制备方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池中PEMFC电极是一种多孔的气体扩散电极，一般由扩散层和催化剂层组成。不同的扩散层材料对于电极的结构、制作工艺和性能有很大的影响。在质子交换膜燃料电池中燃料气体经过阳极扩散层到达催化剂层，在催化剂的作用下发生电极反应，即H2-2H+2e该电极反应产生的电子通过扩散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，即：1/2 O2+2H+2e-H2O质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的水以气态和液态存在(取决于电池的温度和压力)，水过多或过少对PEMFC的性能都会带来负面影响，见[1]Ersoz A，Olgun H，Ozdogan S.etal.，J.Power Sources.2003，118(1-2)：384-392。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，见[2]JAMESL，ANDREW D.Fuel cellsystems explained【M】.England：John Wiley&Sons Ltd.，2000.66-69.[3]黄乃科，王曙中，电源技术，2003，27(3)：329-332。选用高性能的气体扩散层材料有利于改善电极的综合性能。理想的扩散层应该具备3个特点：良好的透气性、良好的排水性和良好的导电性。一般的气体扩散层由基底材料和过渡层组成。在多种基底材料中，炭纤维纸[见4 Thomas T O，Glendale，Hiroshi I，et al.，US：3829327，1974.[5]TeruakiKitago，Tadaaki Yoshida，US：3998689，1976.]具有均匀的多孔质薄层结构和优异的导电性、化学稳定性和热稳定性，是燃料电池中应用最为广泛的扩散层材料。[7]过渡层又被称作中间层，它的加入实现了反应气体和反应产物一水在流场和催化层之间的再分配，对于增强导电性，提高电极性能、电池运行稳定性和运行寿命起到了重要作用。L.R.Jordan等人[见L R JORDAN，SHUKLA A K，BEHRSING T，et al.，J.PowerSources，2000，86：250-254]将炭粉与聚四氟乙烯(PTFE)乳液混合，加入适量溶剂，利用超声波使其分散均匀，将它均匀地喷涂在基底材料的正反表面，烘干后于300～350-->℃下烧结约30min，使PTFE熔融同时除去表面活性剂，最后得到由PTFE粘结炭和基底纤维的憎水材料。加入的炭粉一方面起到增强导电性的作用，另一方面用来填充基底材料中纤维之间的大孔，使得表面平整且孔径分布均匀。涂层液中PTFE与炭黑的质量比在20∶80和50∶50之间为佳，涂层厚度在0.010～0.254mm之间，PTFE的含量为10％～50％。在PEMFC扩散层的研究中，徐洪峰、田颖等人在经过疏水处理过的炭纸上涂一层XC一72R炭和聚四氟乙烯(PTFE)的混合物作为整平层。邵志刚、衣宝廉、韩明等(电化学，2000，6(3)：317-323.)以水或乙醇作为溶剂，将炭黑和PTFE配成质量比为1∶1的溶液，混合均匀后用作整平层。Chan Lim等人[LIM C.WANG C Y.，Electrochimica Acta，2004，49(24)：4149-4156].研究了PTFE含量和扩散层厚度的影响。Giorgi等人[JORDAN LR，SHUKLA A K，BEHRSING T.，Journal of Power Sources.2000.86：250-254.]认为增加扩散层中PTFE含量影响了扩散层的气孔率。面礼L.R.Jordan等人[KONG C S，KIM D Y，LEE H K，et al.，Journal of Power Sources，2002，108：185-191.]认为使用大颗粒的乙炔黑代替Vulcan XC72R炭能提高电池的性能。Chang Sun Kong等人在PEMFC扩散层中加入造孔剂来改善电池中的传质问题。日本的M.Watanabe[WAT ANABE M.，US：5137754，1992.]等人专利技术了一种新的憎水处理方法，将平均分子量为250000的聚乙烯溶于庚烷中，配成一种成膜溶液，将基底材料，如炭纤维纸浸入其中，待庚烷挥发后在炭纸上形成质量分数为5％的PE涂层，然后将这种具有聚乙烯涂层的炭纸放入不锈钢反应器中，在室温条件、含10％氩气的氟气气氛中氟化约30min，获得性能优异的憎水材料。通过实验比较发现用这种憎水处理方法比用PTFE乳液浸渍的方法制得的憎水材料的憎水性能更好。对基底材料作炭/PTFE涂层后，发现其中的小孔并不具备憎水性，因为PTFE分子比那些小孔大10～100倍。从而在喷涂贵金属催化剂时会发现贵金属的渗透现象，导致催化剂利用率的降低，因此须要对那些小孔进一步作憎水处理。V.K.KARL[KARL V K.，US：3899354，1975.]对涂层后的炭纸使用1.5％石腊的石油醚稀溶液处理，再于50℃下烘30min，可使涂层中的小孔具备有效的憎水性。或者使用2.0％醋酸纤维素的丙酮溶液处理，也可得到很好的小孔憎水效果。另一种由日本丰田研究所专利技术的憎水处理方法是将基底材料暴露在一种经等离子体处理过的炭氟化合物气体中，使表面沉积一层憎水材料。然而这种方法须要特别设计大型设备，不适合大规模生产。以上各种方法工艺过程比较复杂，基底材料都要经过二次高温烧结，使得扩散层结构不稳定，也增加了生产成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提出一种燃料电池气体扩散层的制备方法，通过设计一种简便的-->燃料电池特别是质子交换膜燃料电池的扩散层，使得扩散层结构更加稳定，孔径分布更加均匀，加工成本大大降低，同时具有良好的透气性、良好的排水性和良好的导电性；适合燃料电池的规模化生产，从而降低燃料电池产品的成本。本专利技术具体内容如下：燃料电池气体扩散层的制备方法，将碳黑粉末、蒸馏水、分散剂按照以下比例混合均匀，碳黑粉末的量为整个体系的1-20wt％，分散剂的量占碳黑的5-30wt％；碳黑的颗粒为30-1000nm。将10-60％浓度的PTFE或PVDF乳液均匀加入上述所述的碳黑粉末分散体系中，并继续混合0.5-3小时；混合方法采用超声波、机械高速剪切或机械搅拌；体系中PTFE或PVDF的含量为碳黑的10-50wt％；将碳纸或碳布放入上述的分散体系中浸渍0.5-15min，取出晾干，并放入干燥箱在45-150℃烘干5-60min，得到载有碳黑和PTFE或PVDF的碳纸或碳布。浸渍可以分1至5次进行，每次浸渍之后将碳纸或碳布在的45-150℃温度下烘干5-60min。上述的碳纸或碳布在150-390℃烧结20-60min；烧结加热方式采用烘箱、管式炉或红外加热方式。所述碳黑粉末包括乙炔黑、活性碳黑等，分散剂是XH-1、AEO-9、FC4430、Tween-60或Triton X-100。上述处理过的碳纸或碳布用于燃料电池的阳极或阴极的扩散本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征是将碳黑粉末、蒸馏水、分散剂按照以下比例混合均匀，分散剂的量占碳黑的５－３０ｗｔ％，碳黑粉末的量为整个体系的１－２０ｗｔ％；碳黑的颗粒为３０－１０００ｎｍ；将１０－６０％浓度的ＰＴＦＥ或ＰＶＤＦ乳液均匀加入上述所述的碳黑粉末分散体系中，并继续混合０．５－３小时；混合方法采用超声波、机械高速剪切或机械搅拌；体系中ＰＴＦＥ或ＰＶＤＦ的含量为碳黑的１０－５０ｗｔ％；将碳纸或碳布放入上述的分散体系中浸渍０．５－１５ｍｉｎ，取出晾干，并放入干燥箱在４５－１５０℃烘干５－６０ｍｉｎ，得到载有碳黑和ＰＴＦＥ或ＰＶＤＦ的碳纸或碳布。

【技术特征摘要】
1、燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征是将碳黑粉末、蒸馏水、分散剂按照以下比例混合均匀，分散剂的量占碳黑的5-30wt％，碳黑粉末的量为整个体系的1-20wt％；碳黑的颗粒为30-1000nm；将10-60％浓度的PTFE或PVDF乳液均匀加入上述所述的碳黑粉末分散体系中，并继续混合0.5-3小时；混合方法采用超声波、机械高速剪切或机械搅拌；体系中PTFE或PVDF的含量为碳黑的10-50wt％；将碳纸或碳布放入上述的分散体系中浸渍0.5-15min，取出晾干，并放入干燥箱在45-150℃烘干5-60min，得到载有碳黑和PTFE或PVDF的碳纸或碳布。2、根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征是浸渍可以分1次或多次进行，每次浸渍之后将碳纸或碳布在的45-150℃温度下烘干5-60min。3、根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾军，于涛，祝梅，邹志刚，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]