CN101442130A - 一种燃料电池扩散层的疏水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池扩散层的疏水处理方法，旨在提供一种疏水剂的负载量均匀、并能提高气体扩散层的导电性、透气性的气体扩散层的处理方法。它包括扩散层的浸渍疏水剂、晾干、焙烧过程，所述扩散层浸渍聚四氟乙烯乳液过程是在超声波的环境下进行。本发明属于燃料电池零部件制备领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池扩散层的处理方法，具体地讲是涉及一种燃料电池扩散层的疏水处理方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作为能源领域的研究热点之一，具有很多的优点，如无污染、无腐蚀、工作温度低等，既可用作车、船和新型空间飞行器等的电力系统，又可用作便携式、移动式、固定式的发电装置。PEMFC以全氟磺酸性固体聚合物为电解质，其内部核心部位是膜电极。膜电极是一种多孔的气体扩散电极，一般由气体扩散层、整平层、催化层以及Nafion膜组成。气体扩散层主要起着支撑整平层催化层以及提供气体通道、电子通道和排水通道的作用。气体扩散层的质量可以直接膜电极的性能。因此，制备出高性能的气体扩散层在一定程度上有助于改善膜电极的性能，从而提高PEMFC的整体性能。常用的气体扩散层材料有碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布及碳黑纸等。
气体扩散通道是由经过疏水处理的疏水性的孔道充当，而聚四氟乙烯(PTFE)是最常用的疏水剂。未经疏水处理的孔道充当水的传递通道。理想的扩散层应满足3个因素：良好的排水性、良好的透气性以及良好的导电性。扩散层的疏水处理可以直接影响着三个因素，进而影响到整个膜电极的性能。
传统的疏水处理方法是将气体扩散层直接放入疏水剂中浸渍一定时间，然后晾干、焙烧。这样制得的气体扩散层，疏水剂大多堆积在气体扩散层表面，而无法渗透到气体扩散层内部，表面疏水剂的过量聚集，影响了气体扩散层本身的导电性和透气性。而且采用这种传统的处理方法在相同条件下制备得到的气体扩散层浸渍量一致性很差，从而导致制备的膜电极的一致性差，严重影响PEMFC的稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种疏水剂的负载量均匀、并能提高气体扩散层的导电性、透气性的气体扩散层的处理方法。
为解决上述技术问题，本发明的发明人在现有技术的基础上进行了大量的研究和创造性的劳动，研制出了一种有效的燃料电池气体扩散层疏水处理的方法，其步骤包括扩散层浸渍疏水剂、晾干、焙烧过程，其特征在于所述扩散层的浸渍聚四氟乙烯乳液过程是在超声波的环境下进行。
所述的燃料电池扩散层是碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布或碳黑纸。
所述的疏水剂是聚四氟乙烯乳液。
所述的在超声波的环境下进行的扩散层浸渍聚四氟乙烯乳液的浸渍时间为1~2min。
所述的超声波环境是超声频率为28kHz~100kHz。
所述的晾干过程是自然风干过程。
所述的焙烧是在温度为300℃~400℃下焙烧1~4h。
本发明将燃料电池气体扩散层在超声波的环境下进行浸渍疏水处理，使得疏水剂在气体扩散层的表面分布的更加均匀，还可以将疏水剂渗透进气体扩散层内部，提高了膜电极制备的平行性，有利于增加膜电极性能的稳定性，用本发明的方法处理的气体扩散层制备成膜电极较传统方法制备的膜电极其透气性和导电性得到了明显的提高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是实施例1中用本发明与传统方法浸渍的碳纤维纸分别组装的电池性能测试图，其中A代表传统处理方法，B代表本发明处理方法；
图2是实施例2中用本发明与传统方法浸渍的碳纤维编织布分别组装的电池性能测试图，其中A代表传统处理方法，B代表本发明处理方法。
图3是实施例3中用本发明与传统方法浸渍的非织造布分别组装的电池性能测试图，其中A代表传统处理方法，B代表本发明处理方法。
图4是实施例4中用本发明与传统方法浸渍的碳黑纸分别组装的电池性能测试图，其中A代表传统处理方法，B代表本发明处理方法。
具体实施方式
实施例中所用的聚四氟乙烯、碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布和碳黑纸均为市售商品。所用的提供超声波环境的仪器为三频数控超声波清洗器(昆山超声波清洗器，DH250DB)。
实施例1
将盛有浓度为9.56wt％聚四氟乙烯乳液的容器置于45kHz的超声波的环境中，然后将欲疏水化处理的碳纤维纸(质量为W1)浸入聚四氟乙烯乳液中，处理1min后，将碳纤维纸从乳液中取出，放于通风处晾干，最后将所述碳纤维纸置于烘箱内在温度为300℃下焙烧1h，使浸渍在气体扩散层中的聚四氟乙烯乳液所含的表面活性剂被除去，从而达到一定的疏水效果。将焙烧后的气体扩散层称重，质量为W2，根据公式浸渍量＝(W2-W1)*100/W1，计算出气体扩散层中的聚四氟乙烯的浸渍量。用上述方法，浸渍相同的5片质量、大小相等的碳纤维纸，分别记作样品1-样品5，计算该样品1-样品5的浸渍量，以比较该方法浸渍量的一致性。实验结果见表1。
按照传统的处理方法，即将5片质量、大小相等的碳纤维纸，分别记作样品1-样品5，浸入普通环境下浓度为9.56wt％聚四氟乙烯乳液中，浸渍4min后取出样品晾干，最后将所述样品置于烘箱内在温度为300℃下焙烧1h，浸渍前的碳纤维纸的质量记作W1，焙烧后的质量记作W2，按照上述公式分别计算样品1-样品5的浸渍量，实验结果见表1。由于浸渍量相同的情况下，传统的处理方法比本发明处理方法需要的浸渍时间长，因此在传统处理方法中用的浸渍时间为4min。
测定本发明处理的样品1-样品5的平均气体渗透系数和平均电阻、传统方法处理的样品1-样品5的平均气体渗透系数和平均电阻，实验结果见表2。
将本发明处理的样品1与传统方法处理的样品1分别采用丝网印刷的方法涂覆相同载量的同种催化剂，并经过同样的工序制备成膜电极，然后将膜电极组装成单电池，在H2/空气、常压、60℃下进行电池性能的测试，测试结果见图1。
实施例2
将盛有浓度为11.68wt％聚四氟乙烯乳液的容器置于28kHz超声波的环境中，然后将欲疏水化处理的碳纤维编织布(质量为W1)浸入聚四氟乙烯乳液中，处理2min后，将碳纤维编织布从乳液中取出，放于通风处晾干，最后将所述碳纤维编织布置于烘箱内在温度为400℃下焙烧2h后称重，质量为W2。用上述方法，浸渍相同的5片质量、大小相等的碳纤维编织布，分别记作样品1-样品5，按照实施例1的方法计算该样品1-样品5的浸渍量，以比较该方法浸渍量的一致性。实验结果见表1。
按照传统的处理方法，即将5片质量、大小相等的碳纤维编织布，分别记作样品1-样品5，浸入普通环境下浓度为11.68wt％聚四氟乙烯乳液中，浸渍4min后取出样品晾干，最后将所述样品置于烘箱内在温度为400℃下焙烧2h，浸渍前的碳纤维纸的质量记作W1，焙烧后的质量记作W2，按照实施例1中的公式分别计算样品1-样品5的浸渍量，实验结果见表1。
测定本发明处理的样品1-样品5的平均气体渗透系数和平均电阻、传统方法处理的样品1-样品5的平均气体渗透系数和平均电阻，实验结果见表2。
将本发明处理的样品1与传统方法处理的样品1分别采用丝网印刷的方法涂覆相同载量的同种催化剂，并经过同样的工序制备成膜电极，然后将膜电极组装成单电池，在H2/空气、常压、60℃下进行电池性能的测试，测试结果见图2。
实施例3
将盛有浓度为12.48wt％聚四氟乙烯乳液的容器置于100kHz超声波的环境中，然后将欲疏水化处理的非织造布(质量为W1)浸入聚四氟乙烯乳液中，处理1.5min后，将非织造布从乳液中取出，放于通风处晾干，最后将所述非织造布置于烘箱内在温度为350℃下焙烧4h后称重，质量为W2。用上述方法，浸渍相同的5片质量、大小相等的非织造布，分别记作样品1-样品5，按照实施例1的方法计算该样品1-样品5的浸渍量，以比较该方法浸渍量的一致性。实验结果见表1。
按照传统的处理方法，即将5片质量、大小相等的非织造布，分别记作样品1-样品5，浸入普通环境下浓度为12.48wt％聚四氟乙烯乳液中，浸渍4min后取出样品晾干，最后将所述样品置于烘箱内在温度为350℃下焙烧4h，浸渍前的碳纤维纸的质量记作W1，焙烧后的质量记作W2，按照实施例1中的公式分别计算样品1-样品5的浸渍量，实验结果见表1。
测定本发明处理的样品1-样品5的平均气体渗透系数和平均电阻、传统方法处理的样品1-样品5的平均气体渗透系数和平均电阻，实验结果见表2。
将本发明处理的样品1与传统方法处理的样品1分别采用丝网印刷的方法涂覆相同载量的同种催化剂，并经过同样的工序制备成膜电极，然后将膜电极组装成单电池，在H2/空气、常压、60℃下进行电池性能的测试，测试结果见图3。
实施例4
将盛有浓度为14.81wt％聚四氟乙烯乳液的容器置于45kHz超声波的环境中，然后将欲疏水化处理的碳黑纸(质量为W1)浸入聚四氟乙烯乳液中，处理1.5min后，将碳黑纸从乳液中取出，放于通风处晾干，最后将所述碳黑纸置于烘箱内在温度为320℃下焙烧3h后称重，质量为W2。用上述方法，浸渍相同的5片质量、大小相等的碳黑纸，分别记作样品1-样品5，按照实施例1的方法计算该样品1-样品5的浸渍量，以比较该方法浸渍量的一致性。实验结果见表1。
按照传统的处理方法，即将5片质量、大小相等的碳黑纸，分别记作样品1-样品5，浸入普通环境下浓度为14.81wt％聚四氟乙烯乳液中，浸渍4min后取出样品晾干，最后将所述样品置于烘箱内在温度为320℃下焙烧3h，浸渍前的碳纤维纸的质量记作W1，焙烧后的质量记作W2，按照实施例1中的公式分别计算样品1-样品5的浸渍量，实验结果见表1。
测定本发明处理的样品1-样品5的平均气体渗透系数和平均电阻、传统方法处理的样品1-样品5的平均气体渗透系数和平均电阻，实验结果见表2。
将本发明处理的样品1与传统方法处理的样品1分别采用丝网印刷的方法涂覆相同载量的同种催化剂，并经过同样的工序制备成膜电极，然后将膜电极组装成单电池，在H2/空气、常压、60℃下进行电池性能的测试，测试结果见图4。
由表1的实验数据可以看出，本发明的浸渍方法得到的样品较传统方法有更均匀的浸渍量；由表2的实验数据可以看出，本发明的浸渍方法得到的样品较传统方法有更好的导电性能；由图1-4可以看出，本发明的浸渍方法得到的气体扩散层组装的燃料电池较传统方法有更好的电池性能。
表1
表2
Claims (7)
- 【权利要求1】一种燃料电池扩散层的疏水处理方法，包括扩散层的浸渍疏水剂、晾干、焙烧过程，其特征在于所述扩散层浸渍聚四氟乙烯乳液过程是在超声波的环境下进行。
- 【权利要求2】根据权利要求1所述的燃料电池扩散层的疏水处理方法，其特征在于所述的燃料电池扩散层是碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布或碳黑纸。
- 【权利要求3】根据权利要求1所述的燃料电池扩散层的疏水处理方法，其特征在于所述的疏水剂是聚四氟乙烯乳液。
- 【权利要求4】根据权利要求1所述的燃料电池扩散层的疏水处理方法，其特征在于所述的在超声波的环境下进行的扩散层浸渍聚四氟乙烯乳液的浸渍时间为1～2min。
- 【权利要求5】根据权利要求1所述的燃料电池扩散层的疏水处理方法，其特征在于所述的超声波环境是超声频率为28kHz～100kHz。
- 【权利要求6】根据权利要求1所述的燃料电池扩散层的疏水处理方法，其特征在于所述的晾干过程是自然风干过程。
- 【权利要求7】根据权利要求1所述的燃料电池扩散层的疏水处理方法，其特征在于所述的焙烧是在温度为300℃～400℃下焙烧1～4h。
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| CNA2007102026171A CN101442130A (zh) | 2007-11-21 | 2007-11-21 | 一种燃料电池扩散层的疏水处理方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110676468A (zh) * | 2019-08-30 | 2020-01-10 | 天津大学 | 对质子交换膜燃料电池内阴极气体扩散层材料的疏水性能进行处理的方法 |
| CN112563525A (zh) * | 2019-09-26 | 2021-03-26 | 荆门市格林美新材料有限公司 | 一种燃料电池石墨电极板的再生方法 |
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2007
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