一种基于石墨化碳的燃料电池耐腐蚀微孔层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于石墨化碳的耐腐蚀燃料电池微孔层及其制备方法，该方法采用喷涂法将由石墨化碳、聚四氟乙烯、醇溶剂组成的悬浮浆料均匀沉积在碳纸上，然后干燥、高温热处理即可。本发明专利技术克服了现有常用导电炭黑类材料耐腐蚀性不够好、丝网印刷法以及刮涂法无法精确控制碳载量及碳分布等不足，按照以上方法制得的微孔层性能优异，不仅能够大幅度提高燃料电池气体扩散层的耐腐蚀性而且能有效提高燃料电池的水气传输能力。

A Corrosion Resistant Microporous Layer for Fuel Cells Based on Graphite Carbon and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨化碳的燃料电池耐腐蚀微孔层及其制备方法
本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种基于石墨化碳的燃料电池耐腐蚀微孔层及其制备方法。
技术介绍
燃料电池是在催化剂的作用下，将燃料(H2、CH3OH或CH4)中的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。燃料电池是一种能够延续不断提供电能的装置，其与内燃机类似，但是较内燃机有更多优点。燃料电池通过化学能和电能的转换发电，转化效率高且不受卡诺循环的限制；燃料电池发电过程中不存在机械运动，不会产生噪音；燃料电池以氢气作为燃料，经过质子交换生产水和热，基于不同的燃料可能会产生极少量的二氧化碳和其他物质，更加清洁环保。总之燃料电池具有无污染、噪音小、转化率高等优点，被誉为21世纪绿色环保能源。目前燃料电池的成本和耐久性仍然是阻碍其进一步应用的关键。提高燃料电池的耐腐蚀能力可以让其平稳的运行更长时间，从而提高其有效使用寿命。Yan等人[YanQG,ToghianiH,LeeYW,LiangKW,CauseyH.Effectofsub-freezingtemperaturesonaPEMfuelcellperformance,startupandfuelcellcomponents.JPowerSources2006；160:1242–50.]发现，当燃料电池在低温下工作时，由于聚四氟乙烯涂层受到冰的破坏，微孔层变得粗糙从而降低了水气传输能力，影响了燃料电池的性能及耐久性。在燃料电池长时间运行过程中，微孔层逐渐被腐蚀，降低了气体和水的传输能力，给电池内的水气传输和分配带了很大的影响，最终降低了燃料电池的耐久性和性能。随着人们对于燃料电池耐久性和性能的要求越来越高，微孔层的耐腐蚀能力显得越来越重要。目前微孔层的腐蚀主要为碳在高电压下的氧化腐蚀以及PTFE的流失，导致微孔层结构被破坏影响了表面的亲疏水性，使得水管理能力下降。通过混杂耐腐蚀物质可以改善微孔层耐腐蚀性，如SanyingHou等人[HouS,ChiB,LiuG,etal.Enhancedperformanceofprotonexchangemembranefuelcellbyintroducingnitrogen-dopedCNTsinbothcatalystlayerandgasdiffusionlayer[J].ElectrochimicaActa,2017:S0013468617318200.]通过在微孔层内添加含氮碳纳米管增强了其耐腐蚀能力，从而提高了燃料电池的性能。改善微孔层耐腐蚀性的另外一个方法是改变微孔层结构，以便增强其水气管理能力，如杨竹强等人[CN106784883A]通过刮涂法制备了两层碳载量不同的微孔层，使得微孔层表面更加平整，提高了燃料电池的性能。微孔层的制备方法也会影响电池性能和耐久性。王倩等人[CN106299398A]通过增加造孔剂，采用丝网印刷和喷涂法制备得到了具有双层结构的微孔层，在提高孔隙度的同时也提高了燃料电池的性能，但是该方法较为复杂且成本较高。目前制备燃料电池气体微孔层的方法主要包括丝网印刷法、刮涂法以及喷涂法，其中丝网印刷法虽然能够印刷均匀但无法精确控制碳载量，刮涂法可以自定微孔层表面形貌但无法控制碳的分布，喷涂法能够精确控制碳载量但无法控制表面形貌。总而言之，目前常见的这三种微孔层制备方法都存在一定的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种具有优异耐腐蚀性、基于石墨化碳的燃料电池微孔层，其制备方法如下：(a)以石墨化碳、憎水剂溶液、有机溶剂为原料，配制悬浮浆料；(b)将悬浮浆料喷涂在基底上，干燥后烧结即可。进一步的，配制悬浮浆料的过程具体如下：按比例将石墨化碳、憎水剂溶液、有机溶剂混合，机械搅拌0.5-1h后超声，直至形成均匀的悬浮液。进一步的，石墨化碳与憎水剂溶液的质量比为50-80:1，悬浮浆料中石墨化碳的质量分数为1.5％-2.5％。进一步的，所述憎水剂溶液为质量分数为60％-80％的聚四氟乙烯水溶液。进一步的，所述有机溶剂为醇溶剂，包括乙醇、异丙醇、乙二醇中的至少一种。更进一步的，所述有机溶剂由异丙醇与乙二醇按照50:1的质量比混合而成。进一步的，所述石墨化碳粒径不超过500nm，主要由直径约35nm的初级石墨化介孔碳附聚形成。进一步的，所述基底为碳纸或碳布。进一步的，悬浮浆料喷涂时的压力为(0.5-1.5)Mpa，喷嘴与基底间的距离为15cm。进一步的，喷涂过程反复进行多次，直至微孔层的碳载量为0.5-2.5mg/cm2。进一步的，干燥温度为60-90℃，煅烧参数为：N2气氛，以5℃/min的升温速率从室温至120℃并保温45min，接着以5℃/min的升温速率加热至350℃并保温30min，最后自然冷却至室温。按照上述方法制得的微孔层为单层结构。该微孔层附着在碳纸上，主要由石墨化碳和PTFE组成。本专利技术采用石墨化碳作为微孔层的碳材料，这是因为石墨化碳相较一般的碳粉(如XC-72、石墨黑等)具有更好的耐腐蚀性能和疏水能力。经过大量实验对比确定了最适宜喷涂施工的浆料成分，一方面能够精确控制微孔层内的碳载量，另一方面能较为准确的控制碳在碳纸上的分布，从而提高了燃料电池性能及耐久性。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术用包含分散剂的醇溶液作为分散介质，提高了憎水剂溶液的分散能力，从而能够均匀分散纳米级别的石墨化碳避免其团聚，悬浮浆料的均一性直接决定其能否均匀的分散在碳纸基底上；2)本专利技术使用纳米级石墨化碳替代传统的商用导电炭黑，有助于提高微孔层的耐腐蚀性；3)本专利技术使用喷涂工艺制备微孔层，解决了传统丝网印刷法以及刮涂法无法精确控制碳载量和碳分布的不足；4)本专利技术方法大大提高了燃料电池在高电流密度下的水气传输能力及输出性能，加湿度为100％/100％时的输出功率最大可为1.79w/cm2。附图说明图1为本专利技术实施例1制得的耐腐蚀微孔层SEM照片(放大倍数200)；图2为利用实施例2及对比例1制得的微孔层组装成的单电池性能曲线图；图3为利用实施例2及对比例2制得的微孔层作为阴极气体扩散层的单电池性能曲线图；图4为利用对比例1-2制得的微孔层作为阴极气体扩散层的单电池性能曲线图。具体实施方式为使本领域普通技术人员充分理解本专利技术的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。石墨化碳嵌合高度大、结构均一、表面官能团少、缺陷少等结构特征赋予其优异的耐腐蚀能力。本专利技术中所使用的石墨化碳主要由直径约35nm的初级石墨化介孔碳附聚形成，这种有序的结构具有高效的电导率。实施例11)按照50:1的质量比将异丙醇、乙二醇混合均匀，得到醇溶液。依次向醇溶液中加入质量分数为60％的聚四氟乙烯水溶液、石墨化碳(粒径不超过500nm)，其中PTFE与石墨化碳的质量比为1:4。加料完成后先机械搅拌0.5-1h，再超声处理0.5h左右，直至形成均匀的悬浮浆料。该悬浮浆料中石墨化碳的质量分数为2％。2)准备厚190微米、长6.5cm、宽6cm的碳纸，将步骤(1)制得的悬浮浆料加入到喷笔中对着碳纸喷涂，喷涂参数如下：喷涂压力0.5MPa，喷涂距离15cm。喷涂完成后将碳纸放入90℃的烘箱中干燥，干燥完进行称重。重复喷涂-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于石墨化碳的燃料电池耐腐蚀微孔层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(a)以石墨化碳、憎水剂溶液、有机溶剂为原料，配制悬浮浆料；(b)将悬浮浆料喷涂在基底上，干燥后烧结即可。

【技术特征摘要】
1.基于石墨化碳的燃料电池耐腐蚀微孔层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(a)以石墨化碳、憎水剂溶液、有机溶剂为原料，配制悬浮浆料；(b)将悬浮浆料喷涂在基底上，干燥后烧结即可。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(a)具体如下：按比例将石墨化碳、憎水剂溶液、有机溶剂混合，机械搅拌0.5-1h后超声，直至形成均匀的悬浮液。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：石墨化碳与憎水剂溶液的质量比为50-80:1，悬浮浆料中石墨化碳的质量分数为1.5％-2.5％。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述憎水剂溶液具体为质量分数60％-80％的聚四氟乙烯水溶液；所述有机溶剂为醇溶剂，包括乙醇、异丙醇、乙二醇中的至少一种。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂由异丙醇与乙二醇按照50:1的质量比混合而成。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：李赏，田青，刘声楚，潘牧，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42