一种高温质子交换膜燃料电池用保水扩散层的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池用保水扩散层的制备方法。一种高温质子交换膜燃料电池用保水扩散层的制备方法，其特征在于无机氧化物保水材料先于扩散层制备，其表面为ＰＴＦＥ聚合物包裹，形成无机氧化物保水材料为核，疏水ＰＴＦＥ聚合物为壳的结构；制备好的ＰＴＦＥ包裹无机氧化物与导电碳材料混合，涂刷在碳纸、碳布或者碳纤维毡上，形成质子交换膜燃料电池用保水扩散层。该方法制备的扩散层具有保水能力，适合于高温质子交换膜燃料电池用。

【技术实现步骤摘要】
一种高温质子交换膜燃料电池用保水扩散层的制备方法
本专利技术涉及一种质子交换膜燃料电池用保水扩散层的制备方法。
技术介绍
氢是自然界中普遍存在的一种元素，是可再生清洁能源。科学家们认为，氢能在21世纪将弥补并逐渐取代日益枯竭的煤炭、石油等化石能源，成为世界能源格局重要的组成部分。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC)是将氢能转换为电能的重要方式，其能量转换效率高达50％以上，且工作温度低、噪音低，唯一排放的是纯净的水，可以广泛应用于交通工具动力来源和固定电站电源。因此，人们普遍认为，燃料电池是21世纪首选的洁净、高效发电技术(衣宝廉，燃料电池——原理、技术、应用，化学工业出版社，2003；Handbook of Fuel Cells，Wiely，V3，2003)。近年来，经过各国科学家与相关产业人员的努力，燃料电池关键材料与系统集成技术获得了飞速发展，配套产业也日趋成熟。然而，燃料电池的产业使用虽然在电池本身的技术储备已经基本完成，但是要真正走向产业化，还必须在以下几个方面取得更大的进步。这些技术包括提高燃料电池的环境适应性、进一步降低稀缺资源Pt的使用量和进一步降低电池系统的复杂性。燃料电池的环境适应性是燃料电池走向产业应用的一个非常重要的条件，大量研究表明，燃料电池在CO和硫化物环境下会发生中毒行为，主要表现为这些物质在催化剂上吸附后难以解离或者脱附(J.Appl.Electrochem.2004，34，563)。这对于燃料电池，特别是应用在电动汽车上的燃料电池来说是一个很大的挑战。即使对于普通应用的燃料电池，由于CO等物质不仅会通过外部环境进入，燃料电池运行过程中碳材料的腐蚀也会导致CO的产生，因此解决这一问题仍然是产业应用的先决条件之一。对于中国来说，解决燃料电池的环境适应性问题显得更为重要。改革开放以来，中国的制造业得到了空前的发展，这些发展提高了中国人的国民生活水平、极大地提升了中国的国力。然而，制造产业特别是重工业的发展也带来了环境的破坏。资料表明，在2004年我国监测的城市中，城市空气质量劣于三级，占20.2％，空气质量为三级的城市占41.2％，仅仅有38.6％的城市达到国家环境空气质量二级标准(来源：2004年中国环境状况公报)。据世界资源研究所和中国环境监测总站测算，全球十大污染最严重的城市中，我国就占了7个。这样的现状虽然在持续改进，但是显而易见的是，在不久的将来这种情况仍然会继续。因此，从技术本身的角度解决燃料电池的环境适应性问题是十分重要和迫切的。目前，质子交换膜燃料电池产业化的另一个技术障碍来源于复杂的水热管理系统。虽然燃料电池具有高达60％的能量转化效率，但是，燃料化学能的其它40％会在电化学反应过程中由于过电位和欧姆极化转换成热能。由于当前水平的质子交换膜燃料电池一般工作温-->度小于80℃，与室温比较接近，热量从电化学反应区域扩散到环境十分困难。要实现对温度的良好控制，燃料电池一般会附加复杂的冷却和热管理系统。系统的复杂性不但降低了燃料电池的可靠性，也降低了燃料电池的重量功率密度和体积功率密度。此外，更为重要的是，水热管理系统在电池运行中会消耗电池系统10-20％的功率，大大降低了电池系统的性能并削减了燃料电池相对与其它能量转换系统的竞争能力(Fuel Cell SystemsExplained，Wiley，2003)。对于稀缺资源Pt的使用量来说，近十几年来，若干技术的进步使燃料电池贵金属催化剂的使用效率大大提高。早期使用纳米Pt黑为催化剂，一般催化剂的载量达到4mg/cm2以上才能获得相对比较满意的输出性能。随后，多孔分散碳载体的采用和膜电极结构的立体化大大提高了催化剂的使用效率，使催化剂的用量达到1mg/cm2以下(Prog.Chem.，2004，16，804)。然而，根据科学家估计，即使只将现在每年销售的汽车发动机改装成燃料电池发动机，现有的Pt资源在最先进的0.2-0.4mg/cm2的使用量下仍不能满足要求。因此，Pt催化剂的使用效率还需要进一步提高。但是，现在Pt催化剂在提高表面积和分散度方面已经达到极限，要进一步提高Pt的催化效率，只有两个可能的办法，其一是采用非Pt催化剂或者基于Pt的复合催化剂，其二是提高电化学反应温度。对于前者来说，这些催化剂在常温下要么催化速度很慢，要么很难提高单位Pt的电化学催化总量，因此，在常温下还是很难实现Pt用量进一步的降低的。针对目前燃料电池中存在的催化剂中毒、水热管理复杂和催化剂效率不够高的问题，目前全世界大量的科学家都在积极寻求对策。但是一般认为，提高燃料电池的工作温度是解决这些难题的有效措施。特别是对于催化剂中毒，研究表明，Pt催化剂的CO承受能力随温度呈指数性上升，在80℃时，10-20ppm的CO会造成Pt催化剂的明显中毒和性能的下降，在120℃时，Pt对CO的耐受性会提高到1000ppm左右，当温度提高到200℃后，Pt在30,000ppmCO条件下仍然能正常工作，因此基本不会产生CO中毒现象(J.Electrochem.Soc.2003，150，A1599)。提高工作温度同时会降低电池对热管理系统的要求，当电池工作温度提高到120℃，电池内部与环境的温度梯度会从现在的40℃-60℃提高到100℃左右，电池的热交换效率会迅速提高几倍，外部热管理系统会迅速简化。对与Pt催化效率来说，由于温度的提高，反应物在催化剂表面的吸附、解离和脱附大大加快，Pt催化剂的使用量将有望在目前基础上大大下降。鉴于高温燃料电池技术在提升燃料电池环境适应性和性能方面的这些独特优势，目前，关于高温燃料电池的研究正在迅速成为热点，其中，有效地保持膜电极中的水分，使膜电极中水分的流失速度减小是其中要中的方面。膜电极中的扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)具有一定的保湿能力有利于保持膜电极的水分。而提高扩散层的保水能力的难点在于不降低扩散层的疏水能力。这是因为，虽然燃料电池在高温工作，如高于120℃，大部分水将以气体的形式存在，但是扩散层中的水达到饱和蒸汽压时会以液体形式析出，使气体不能顺利通过扩散层，造成电池反极，降低输出性能甚至破坏整个电池单元。-->目前，中国专利CN200480027044.8，CN200510018882.5，CN200410097890.9都涉及到扩散层的制备方法，但是这些扩散层并不具有保水能力，因此不适合于高温燃料电池。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高温质子交换膜燃料电池用保水扩散层的制备方法，该方法制备的扩散层具有保水能力，适合于高温质子交换膜燃料电池用。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种高温质子交换膜燃料电池用保水扩散层的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：1)制备无机氧化物/疏水PTFE聚合物核壳颗粒：(a)将重量浓度为1.2％-10％的离子聚合物溶液用NaOH调节pH值至6.5-7.5，然后转入到无水有机溶剂中，得溶液A，使得离子聚合物在溶液A中含量达到1-9wt.％，接着蒸馏此溶液4-6小时以去掉溶液中的水分，得到离子聚合物前驱体溶液；(b)按照无机氧化物与离子聚合物重量比0.01∶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温质子交换膜燃料电池用保水扩散层的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：１）制备无机氧化物／疏水ＰＴＦＥ聚合物核壳颗粒：（ａ）将重量浓度为１．２％－１０％的离子聚合物溶液用ＮａＯＨ调节ｐＨ值至６．５－７．５，然后转入到无 水有机溶剂中，得溶液Ａ，使得离子聚合物在溶液Ａ中含量达到１－９ｗｔ．％，接着蒸馏此溶液４－６小时以去掉溶液中的水分，得到离子聚合物前驱体溶液；（ｂ）按照无机氧化物与离子聚合物重量比０．０１∶１－０．１∶１，将该无机氧化物的无机氧化物 前驱体加入到步骤（ａ）制备的离子聚合物前驱体溶液中搅拌２０－３０分钟，制成无机氧化物前驱体溶液；（ｃ）按照无机氧化物前驱体水解反应所需水量１－１０倍的比例，将ＨＣｌ含量为３７ｗｔ．％、水含量为６３ｗｔ％的浓ＨＣｌ溶液加入到步骤（ｂ） 制备的无机氧化物前驱体溶液中，充分搅拌混合，得到离子聚合物修饰的无机氧化物纳米粒子分散液；（ｄ）将离子聚合物修饰的无机氧化物纳米粒子分散液与重量浓度为１０％－６０％的聚四氟乙烯乳液混合，使无机氧化物与聚四氟乙烯的重量比为１∶２０－１ ∶５；然后在１０００－５０００转／分的搅拌速度下搅拌１小时，得到无机氧化物／疏水ＰＴＦＥ聚合物核壳颗粒分散体系；２）保水扩散层的制备：（ａ）将无机氧化物／疏水ＰＴＦＥ聚合物核壳颗粒分散体系与导电碳材料混合，导电碳材料与聚四氟 乙烯的重量比例为２．５∶１－３．５∶１，然后加入水或者无水有机溶剂，使混合溶液中固含量为２０％－８０％；在１０００－５０００转／分的搅拌速度下搅拌１０－２４小时，获得扩散层料浆；（ｂ）将扩散层料浆丝网印刷、浇铸、涂布或喷涂在碳纸、碳 布或者碳纤维毡上，在热处理炉中分段热处理，其中温度１００℃处理１０分钟，随后３５０℃处理１０分钟，形成保水扩散层。...

【技术特征摘要】
1.一种高温质子交换膜燃料电池用保水扩散层的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：1)制备无机氧化物/疏水PTFE聚合物核壳颗粒：(a)将重量浓度为1.2％-10％的离子聚合物溶液用NaOH调节pH值至6.5-7.5，然后转入到无水有机溶剂中，得溶液A，使得离子聚合物在溶液A中含量达到1-9wt.％，接着蒸馏此溶液4-6小时以去掉溶液中的水分，得到离子聚合物前驱体溶液；(b)按照无机氧化物与离子聚合物重量比0.01∶1-0.1∶1，将该无机氧化物的无机氧化物前驱体加入到步骤(a)制备的离子聚合物前驱体溶液中搅拌20-30分钟，制成无机氧化物前驱体溶液；(c)按照无机氧化物前驱体水解反应所需水量1-10倍的比例，将HCl含量为37wt.％、水含量为63wt％的浓HCl溶液加入到步骤(b)制备的无机氧化物前驱体溶液中，充分搅拌混合，得到离子聚合物修饰的无机氧化物纳米粒子分散液；(d)将离子聚合物修饰的无机氧化物纳米粒子分散液与重量浓度为10％-60％的聚四氟乙烯乳液混合，使无机氧化物与聚四氟乙烯的重量比为1∶20-1∶5；然后在1000-5000转/分的搅拌速度下搅拌1小时，得到无机氧化物/疏水PTFE聚合物核壳颗粒分散体系；2)保水扩散层的制备：(a)将无机氧化物/疏水PT...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐浩林，潘牧，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]