一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法技术

本发明专利技术提出一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法，通过使用石蜡与硬脂酸的混合产物在缺氧气氛下燃烧，通过收集不完全燃烧产物与氟化氢气体在有机溶剂中形成分散液，接着使用分散液直接对碳纸进行高压喷涂，从而实现碳纸的疏水处理。本发明专利技术提供的方法，通过石蜡与硬脂酸的不完全燃烧产生的纳米碳与无定型石墨碳经过有机溶剂分散后，使用简单的喷涂工艺即可在碳纸表面形成疏水层，与传统工艺相比，没有绝缘的聚四氟乙烯引入，可以有效提高碳纸的导电性能，制备工艺极其简单，原料来源十分广阔，适宜于大规模工业化生产。

A method of continuous treatment of fuel cell carbon paper with fluorine gas

【技术实现步骤摘要】
一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法
本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法。
技术介绍
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成为电能的装置。与传统能源相比，燃料电池在反应过程中不涉及到燃烧，因而能量转换效率不受卡诺循环的限制，具有高效、洁净等显著特点。质子交换膜燃料电池（PEMFC）不但具有燃料电池的一般特点，还具有能量转换效率高、环境友好、比能量高（相对于电池）、操作温度低、启动快的特点，可广泛应用于汽车、电站、移动电源等领域。气体扩散层是质子交换膜燃料电池中的重要组件，起到支撑催化剂层的作用，也是反应气体和生成物水的通道。气体扩散层通常由基底层和微孔层组成。基底材料层通常选用多孔的碳纸、碳布，主要起支撑微孔层和催化层的作用。目前，气体扩散层基底材料大多使用碳纸，它不仅具有均匀的多孔结构，而且由于主要原料使用碳纤维，因此它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。目前碳纸的主要生产工艺为高温碳化后使用聚四氟乙烯进行疏水处理，疏水处理工艺在提高碳纸的疏水性能的同时会影响其本身的电导率和孔隙率，导致其性能降低，常用解决手段为在聚四氟乙烯乳液中添加导电剂等，但工艺过程复杂。因此，针对燃料电池碳纸的疏水处理工艺的简化和性能的提高具有十分重要的实际意义。中国专利技术专利申请号200610099261.9公开了一种燃料电池气体扩散层的制备方法，该方法包括将含有导电剂和疏水剂的浆料均匀分布到支撑材料上，然后烧结含有导电剂和疏水剂的支撑材料，将含有导电剂和疏水剂的浆料均匀分布到支撑材料上的方法包括在支撑材料的第一表面和第二表面形成压力差，第二表面的压力大于第一表面的压力，将含有导电剂和疏水剂的浆料与支撑材料的第二表面接触，第一表面和第二表面分别为支撑材料相对的两个表面。中国专利技术专利申请号201810835192.6公开了一种燃料电池气体扩散层及其制备方法，气体扩散层包括充当载体的导电网状结构和涂覆在该导电网状结构一面或两面的涂层，涂层包括碳粉和粘结剂，涂层为具有特征孔隙度和疏水性的多孔结构，通过以下方法制备得到，将碳粉颗粒分散到水中，通过均化器进行浆液分散，再加入粘结剂，进行机械搅拌，调节浆液混合物至合适粘度；将浆液混合物涂布到导电网状结构表面；将样品进行热处理以去除添加剂，形成碳和粘结剂的均匀粘合混合物，即制得产品。为了实现燃料电池气体扩散层碳纸的疏水改性工艺的简易化过程，有必要提出一种新型疏水改性气体扩散层碳纸的方法，进而提高燃料电池气体扩散层的使用性能。
技术实现思路
针对目前燃料电池气体扩散层碳纸在疏水处理过程中工艺复杂的问题，本专利技术提出一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法，从而在保证气体扩散层碳纸良好导电性能的同时，大大简化了疏水处理工艺过程。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法，通过使用石蜡与硬脂酸的混合产物在缺氧气氛下燃烧，通过收集不完全燃烧产物与氟化氢气体在有机溶剂中形成分散液，接着使用分散液直接对碳纸进行高压喷涂，从而实现碳纸的疏水处理，包括如下处理步骤：（1）将石蜡与硬脂酸置于反应炉中，控制炉内氧含量，使石蜡与硬脂酸在常压下进行不完全燃烧，形成的雾状产物进入收集罐内；（2）在收集罐内混入5-10%体积比例的氟气，使雾状产物冷却成纳米分散颗粒，接着将纳米分散颗粒分散于含有机溶剂的搅拌罐中，分散搅拌，制得分散液；（3）将碳纸置于匀速传送带上，分散液经高压喷枪直接喷涂于碳纸表面，即得到所需的成品碳纸，且实现碳纸的连续化疏水处理。所述处理方法的连续化生产示意图如附图1所示。优选的，步骤（1）所述石蜡的重量份为50-70重量份，硬脂酸的重量份为30-50重量份，两者共计100重量份。优选的，步骤（1）所述炉内氧含量控制为5-13%。优选的，步骤（2）所述纳米分散颗粒为纳米碳与无定型石墨碳。优选的，步骤（2）所述有机溶剂为丙酮、异丙醇或乙醇的一种。优选的，步骤（2）所述纳米分散颗粒分散于有机溶剂中时，按每1mg纳米分散颗粒分散于1ml有机溶剂。优选的，步骤（2）所述分散搅拌的转速为300-800rpm，时间为5-20min。优选的，步骤（3）所述匀速传送带的加热温度为120-150℃，传送带线速度为2-4m/min。优选的，步骤（3）所述高压喷枪的喷枪压力为0.5-2MPa，喷嘴口径为0.66-1.1mm，喷涂距离为8-15cm。公知的，质子交换膜燃料电池气体扩散层的碳纸疏水性很大程度上影响着气体扩散层的性能，目前疏水改性的方法较多，而碳纸的疏水改性方法主要是高温碳化后使用聚四氟乙烯进行疏水处理，为了避免影响碳纸性能，需要通过添加导电剂等方法，因而使得工艺过程复杂。如果选用喷涂、浸渍、刷涂等方法，则过程容易操作，有利于大规模进行疏水改性。其中，喷涂法可以将疏水性能良好的原料液分散为微、纳米级的小颗粒，然后将其叠加在碳纸基底上形成一定结构的均匀疏水涂层，工艺简单而效果良好。因此，本专利技术选择喷涂工艺进行碳纸的疏水改性。本专利技术首先将石蜡与硬脂酸的混合产物在缺氧气氛下进行不完全燃烧，可得到纳米碳与无定型石墨碳等形成的雾状产物，由于上述雾状产物具有高表面能，因此具备天然的优良疏水性，可用于疏水改性材料的制备。进一步的，将石蜡与硬脂酸完全燃烧的雾状产物利用氟气进行处理，氟气处理可使雾状产物冷却形成纳米级分散颗粒，同时可对雾状产物中的碳表面进行处理，并生成氟化氢气体，收集后在有机溶剂中形成可用于疏水改性的分散液。更进一步的，将得到的分散液利用高压喷涂于碳纸表面，可在碳纸表面形成均匀的疏水涂层，实现碳纸的连续化生产，并且可提高碳纸的导电性能。现有的燃料电池碳纸在疏水处理过程中工艺复杂的问题，限制了其应用。鉴于此，本专利技术提出一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法，具体方法如下：将石蜡与硬脂酸置于反应炉中，在常压下进行燃烧形成雾状产物进入收集罐内；在收集罐内混入氟气，使雾状产物冷却成纳米分散颗粒，分散于含有机溶剂的搅拌罐中，分散搅拌，制备得到分散液；将碳纸置于匀速传送带上，分散液经高压喷枪直接喷涂于碳纸表面，即得到所需的成品碳纸，且实现碳纸的连续化疏水处理。本专利技术采用简单的喷涂工艺，将石蜡与硬脂酸的不完全燃烧产生的纳米碳与无定型石墨碳经过有机溶剂分散后的分散液在碳纸表面形成疏水层，疏水性好，导电性能好，制备工艺简单，原料来源广泛，适宜于大规模工业化生产。本专利技术提出一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1、本专利技术通过石蜡与硬脂酸的不完全燃烧产生的纳米碳与无定型石墨碳经过有机溶剂分散后，使用简单的喷涂工艺即可在碳纸表面形成疏水层，与传统工艺相比，没有绝缘的聚四氟乙烯引入，可以有效提高碳纸的导电性能。2、本专利技术的制备工艺极其简单，原料来源十分广阔，适宜于大规模工业化生产。附图说明图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法，其特征在于，通过使用石蜡与硬脂酸的混合产物在缺氧气氛下燃烧，通过收集不完全燃烧产物与氟化氢气体在有机溶剂中形成分散液，接着使用分散液直接对碳纸进行高压喷涂，从而实现碳纸的疏水处理，包括如下处理步骤：/n（1）将石蜡与硬脂酸置于反应炉中，控制炉内氧含量，使石蜡与硬脂酸在常压下进行不完全燃烧，形成的雾状产物进入收集罐内；/n（2）在收集罐内混入5-10%体积比例的氟气，使雾状产物冷却成纳米分散颗粒，接着将纳米分散颗粒分散于含有机溶剂的搅拌罐中，分散搅拌，制得分散液；/n（3）将碳纸置于匀速传送带上，分散液经高压喷枪直接喷涂于碳纸表面，即得到所需的成品碳纸，且实现碳纸的连续化疏水处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法，其特征在于，通过使用石蜡与硬脂酸的混合产物在缺氧气氛下燃烧，通过收集不完全燃烧产物与氟化氢气体在有机溶剂中形成分散液，接着使用分散液直接对碳纸进行高压喷涂，从而实现碳纸的疏水处理，包括如下处理步骤：
（1）将石蜡与硬脂酸置于反应炉中，控制炉内氧含量，使石蜡与硬脂酸在常压下进行不完全燃烧，形成的雾状产物进入收集罐内；
（2）在收集罐内混入5-10%体积比例的氟气，使雾状产物冷却成纳米分散颗粒，接着将纳米分散颗粒分散于含有机溶剂的搅拌罐中，分散搅拌，制得分散液；
（3）将碳纸置于匀速传送带上，分散液经高压喷枪直接喷涂于碳纸表面，即得到所需的成品碳纸，且实现碳纸的连续化疏水处理。


2.根据权利要求1所述的一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法，其特征在于，步骤（1）所述石蜡的重量份为50-70重量份，硬脂酸的重量份为30-50重量份，两者共计100重量份。


3.根据权利要求1所述的一种利用氟气连续化处理燃料电池碳纸的方法，其特征在于，步骤（1）所述炉内氧含量控制为5-13%。


4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，廖健淞，杨洁，何方，陈涛，刘超，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51