一种含微孔层的燃料电池气体扩散层及其制备方法技术

本发明专利技术属于燃料电池领域，具体公开了一种含微孔层的燃料电池气体扩散层及其制备方法。(1)将碳纳米管、碳纤维均匀的搅拌混合，形成一种浑浊的溶液；(2)将此浑浊的溶液在抽滤瓶上抽滤成一张薄膜，也就是碳膜；(3)之后浸润酚醛树脂溶液，高温下热压成形、碳化；(4)将炭黑与PTFE的混合物浆料均匀的喷涂至此种碳膜上，随后在空气氛围内，350℃下处理一段时间，得到了均匀分布的燃料电池微孔层碳膜。本发明专利技术制得的电池气体扩散层，通过制作微孔层对其物理性能和化学性能的改变，使其对气体的扩散能力和疏水性得到了提升，同时微孔层的加入使碳膜的韧性也得到了提升，并且制备工艺简单，易于规模化连续生产。化连续生产。

【技术实现步骤摘要】
一种含微孔层的燃料电池气体扩散层及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，具体公开了一种含微孔层的燃料电池气体扩散层及其制备方法。

技术介绍

[0002]质子交换膜燃料电池(PEMFC)是在上世纪研制出的一种能够让质子通过的电池体系。该电池的结构比较简单，且其具有功率密度高、能量转换效率高、低温启动、无污染、重量轻等特点。PEMFC的主要部件有双极板、气体扩散层、催化剂层、质子交换膜。双极板是PEMFC的一个重要部件，它的主要材质包括石墨板、金属板、复合双极板等，双极板的功能是分离氧化剂、还原剂、收集导电电流；扩散层不但具有支持层的功能，还具有扩散气体、电流、水和导热功能；在催化剂层，氢和氧的电化学反应，在这里产生电子、水、质子、热；在PEMFC中，质子交换膜是关键元件，它不但要与燃料、氧化剂进行隔离，还具有电解质的功能，是良好的氢离子导电材料，同时也是一种具有选择性和透过性的聚合物薄膜。质子交换膜与燃料电池的制作成本、电池效率有着重要联系，可以说质子交换膜直接影响着PEMFC的性能和使用寿命。
[0003]PEMFC作为一种低温燃料电池，工作温度在60～80℃，它的工作原理如下：H2和O2由双极板上的引导通道，分别进入燃料电池的阴、阳，再经过气体扩散层和催化层，然后进入质子交换膜。在阳极的另一端，H2在阳极氧化作用下分解为H
+
、e
‑
以水、质子的形式，在薄膜中进行迁移，最终抵达阴极，从而达到质子传导；同时，在阴极催化剂的作用下，阴极中的O2与来自阳极的Hr/>+
结合，生成水，在阳、阴之间形成一个电压，由外接电路连接，回路内的电子就会产生电能。其中，阳极与阴极发生的电子反应如下：
[0004]阳极反应：2H2→
4H
+
+4e
－
[0005]阴极反应：O2+4H
+
+4e
－
→
2H2O
[0006]电池反应：2H2+O2→
2H2O
[0007]PEMFC中的水分迁移和气体扩散是影响电池性能的主要因素，而与此相对应的组件是气体扩散层(GDL)。常规的GDL主要是由微孔层MPL和碳纸构成，MPL以小孔为主，而碳纸中以大孔为主，当碳纤维纸与MPL结合时，由于孔隙的突然变化，导致水分的传递效率受到一定的影响。
[0008]气体扩散层需要满足的要求：
[0009](1)导电率高。由于电子在双极板和催化层之间的传播过程中，需要采用扩散层作为通道，并且需要收集电流，所以对GDL的电阻率要求非常低。
[0010](2)强度高。为了保证电极的稳定性，必须保证电极的整体结构稳定，从而延长电极的使用寿命。
[0011](3)具有高的孔隙率性和在特定的范围中的孔径分布。由于扩散层是生产氢、氧、生水的主要通道，因此必须要有较高的孔隙度和一定的孔隙分布，以确保气体的均匀分配和产品水的顺利排放，避免“水淹”。
[0012](4)具有良好的抗腐蚀性。因为它在很长一段时间内都要在氧化和还原的条件下工作，所以对它的耐蚀性和耐蚀性都有很高的要求。
[0013](5)具有致密的结构和平坦的表面。紧密的，光滑的GDL能够降低接触电阻并改善其导电性。

技术实现思路

[0014]本专利技术提供了一种含微孔层的燃料电池气体扩散层及其制备方法，以解决目前应用较广的燃料电池膜电极的完全碳化的碳纤维纸气体扩散层存在韧性差，易折断碎裂的缺陷。
[0015]为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0016]一种含微孔层的燃料电池气体扩散层，其以表面涂布的聚四氟乙烯和炭黑混合物作为微孔层，以多和壁碳纳米管和短切碳纤维组成的碳纳米管/碳纤维膜作为碳膜层。
[0017]由以下方法制备的具体过程为得到：
[0018](1)将多壁碳纳米管M
‑
GRADE MWNTs与短切碳纤维按1：3混合后，加入少量去离子水，使用搅拌器搅拌均匀，再使用消泡剂进行消泡处理，随后在浆料中加入少量的聚丙烯酰胺，慢速搅拌均匀，然后抽滤、烘干得到碳纳米管/碳纤维膜，所述碳纳米管/碳纤维膜的面密度控制为3mg
·
cm
‑2；
[0019](2)将步骤(1)得到的碳纳米管/碳纤维膜放入到质量分数为5％的酚醛树脂溶液中浸润均匀，至碳纳米管/碳纤维膜增重50～60％，将其烘干，烘干后热压成形，至厚度为140μm，随后放入到马弗炉中，在惰性气体氛围下，以每分钟5℃的升温速率升温至1600℃碳化，待冷却到室温后取出碳膜；
[0020](3)将炭黑与聚四氟乙烯分散液的按1：300混合，搅拌均匀后，刮涂到步骤(2)得到的碳膜表面，并控制碳膜表面炭黑与聚四氟乙烯干物质的面密度为1～2mg cm
‑2；使用热压成形，至厚度为20μm，接着将其放入到马弗炉中，在空气氛围、200℃
‑
400℃下加热0.1
‑
1h，待冷却到室温后取出，得到所述含微孔层的燃料电池气体扩散层。
[0021]进一步的，步骤(1)中所述碳纤维为直径7
‑
10μm、长度5mm的短切碳纤维。
[0022]进一步的，步骤(1)中所述聚丙烯酰胺为质量分数为0.5％的聚丙烯酰胺水溶液。
[0023]上述的方法制备的含有微孔层的燃料电池气体扩散层,其以表面涂布的聚四氟乙烯和炭黑混合物作为微孔层，以多和壁碳纳米管和短切碳纤维组成的碳纳米管/碳纤维膜作为碳膜层，微孔层厚度为20μm，面密度1～2mg
·
cm
‑2，微孔层中聚四氟乙烯和炭黑的质量比为300：1，碳膜层厚度为120μm，面密度为3mg
·
cm
‑2，碳膜层中所述多壁碳纳米管与短切碳纤维的质量比为1：3，所述碳膜层中还含有2.4～2.9wt％的酚醛树脂。
[0024]本专利技术的上述方案中，步骤(1)中的聚丙烯酰胺为分散剂，聚丙烯酰胺含有酰胺基，易形成氢键，使其具有良好的水溶性和很高的化学活性，其还具有使水溶液粘度下降的能力，易于分散混合溶液中的不溶相；
[0025]步骤(2)中干燥后的碳纳米管/碳纤维膜放入5％的酚醛树脂浸润的主要目的是增加其机械强度，使用低浓度5％的主要原因是高浓度会堵塞碳纸的孔隙。步骤(2)中碳化的过程是从600℃开始的，随着碳化温度的升高，碳纸材料内部的官能团和化学键也能通过碳化去除，增大孔隙度稳定碳结构，在1800℃，碳结构会向石墨化结构转变，石墨化后可以提
高其导电性，但是，所需消耗的成本也大大增加，温度过高，维护设备的频率也会增加。所以碳化温度选择1600℃，在保证碳纸内空隙度高的前提下，也控制住了成本；
[0026]步骤(3)中涂上聚四氟乙烯的目的是作为粘结剂和炭黑混合制作MPL层，同时也作为疏水剂使用。
[0027]本专利技术的方案中，碳纤维使用的是浸润过PAN溶液的碳纤维，目的是使其的机械强度更优异，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含微孔层的燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将多壁碳纳米管M
‑
GRADE MWNTs与短切碳纤维按1：3混合后，加入少量去离子水，使用搅拌器搅拌均匀，再使用消泡剂进行消泡处理，随后在浆料中加入少量的聚丙烯酰胺，慢速搅拌均匀，然后抽滤、烘干得到碳纳米管/碳纤维膜，所述碳纳米管/碳纤维膜的面密度控制为3mg
·
cm
‑2；(2)将步骤(1)得到的碳纳米管/碳纤维膜放入到质量分数为5％的酚醛树脂溶液中浸润均匀，至碳纳米管/碳纤维膜增重50～60％，将其烘干，烘干后热压成形，至厚度为140μm，随后放入到马弗炉中，在惰性气体氛围下，以每分钟5℃的升温速率升温至1600℃碳化，待冷却到室温后取出碳膜；(3)将炭黑与聚四氟乙烯分散液的按1：300混合，搅拌均匀后，刮涂到步骤(2)得到的碳膜表面，并控制碳膜表面炭黑与聚四氟乙烯干物质的面密度为1～2mg cm
‑2；使用热压成形，至厚度为20μm，接着将其放入到马弗炉中，在空气氛围、200℃
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：杨程晟，解明，张萱萱，
申请(专利权)人：宁波柔创纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：