CN101540405A

CN101540405A - 燃料电池整平层组合物及制备方法和气体扩散层

Info

Publication number: CN101540405A
Application number: CNA2009103003138A
Authority: CN
Inventors: 梁慧
Original assignee: Hanergy Technology Co Ltd
Current assignee: Hanergy Technology Co Ltd
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2009-09-23

Abstract

本发明公开了一种燃料电池整平层组合物及制备方法和气体扩散层。所述的整平层组合物包括导电碳材料、有机造孔剂、保水剂、溶剂以及疏水剂，所述的导电碳材料、有机造孔剂、保水剂以及疏水剂的质量比为1∶0.1～0.5∶0.5～10∶0.01～1。本发明的整平层组合物可以有效降低碳纸表面的孔隙率，增加气体扩散层的机械强度，降低了整平层与催化层之间的接触电阻，并且包含这种整平层组合物的气体扩散层具有较高的表面平整度，没有微小裂纹，很好的透气和导水性。

Description

燃料电池整平层组合物及制备方法和气体扩散层

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，具体的讲涉及一种质子交换膜燃料电池整平层组合物以及包含该组合物的气体扩散层，本发明还涉及上述质子交换膜燃料电池整平层组合物的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种新的电源，具有清洁无污染，噪声低，工作温度低，发电比功率大等优点，这种燃料电池已经成为能源开发与研究领域的重点，并且越来越受到电力供应和电子产品应用行业的重视。

质子交换膜燃料电池的核心部分是膜电极组件(MEA)。从结构上分析，通常MEA包含：阴/阳极气体扩散层、阴/阳极催化层、质子交换膜等五大部分组成，其中质子交换膜具有传导水合质子的功能，并且能够防止燃料气体的互串；催化层是发生电化学反应的主要场所：在阳极催化层，氢气在催化作用下发生氧化反应失去电子，结合一个自由水分子形成水合氢离子向膜的方向发生质量迁移，在阴极催化层，氧气或空气在催化作用下发生还原反应。气体扩散层为反映气体顺利到达反应界面提供通道，并且使反应生成的水及时排除，同时在催化层和碳板之间传递电子和热量。

质子交换膜燃料电池膜电极组件的气体扩散层(GDL)，主要是使燃料气体能够通畅、尽可能均匀地分布到催化剂的周围，并且不影响水气的进入和传输。气体扩散层可以采用透气性很好的碳纸或碳布作为支撑体，比如日本Toray公司、加拿大E-Tek公司等。由于这种材料具有粗糙的表面和高达70％的孔隙率，直接在其表面涂布催化剂会导致大量浪费，因此在其催化层的一侧表面涂布以碳粉和疏水成分为主的整平材料。

中国专利CN1658422A公开了一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法，为了提高整平层的透气性，在其制备过程中加入了酸溶性无机盐类造孔剂，而且为了进一步提高孔隙率和孔径梯度，其采用多层涂布的方式；采用以上方法制备的碳粉料浆，具有墨水一样的流动性，内部结构疏松，直接涂布在碳纸上，会大量渗透到碳纸内部，不利于实现平整碳纸表面的效果，而且这种墨水不适应大规模生产的需要，为推测和分析整平层中的孔径和孔分布带来很多困难。

中国专利CN1906784A公开了一种气体扩散层和使用气体扩散层的燃料电池，采用水溶性无机盐类作为造孔剂，同时在这种导电碳粉材料中加入了催化剂粉末，虽然一定程度上降低了整平层与催化层之间的接触电阻，但是造成催化剂的浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种质子交换膜燃料电池的整平层组合物以及包含该组合物的气体扩散层。本发明的整平层组合物可以有效降低碳纸表面的孔隙率，增加气体扩散层的机械强度，降低了整平层与催化层之间的接触电阻；并且包含该组合物的气体扩散层，具有良好的机械强度、导电性，表面均匀，而且同样具有良好的透气性。

本发明的另一目的是提供一种质子交换膜燃料电池整平层组合物的制备方法。

其具体技术方案如下：

一种燃料电池整平层组合物，包括导电碳材料、有机造孔剂、保水剂、溶剂以及疏水剂，所述的导电碳材料、有机造孔剂、保水剂以及疏水剂的质量比为1∶0.1～0.5∶0.5～10∶0.01～1。

如果所述的有机造孔剂与导电碳材料的质量比小于0.1∶1，则制得的气体扩散层的孔分布较为稀疏，从而导致其透气性较差，如果所述的有机造孔剂与导电碳材料的质量比大于0.5∶1，则制得的气体扩散层的孔分布较为密集，导致因催化剂在孔内部的延流而造成浪费，而且造孔剂的含量过高会增大电极的电阻；如果所述的保水剂与导电碳材料的质量比小于0.5∶1，则起不到保水作用，如果大于10∶1，则会导致溶液粘度过高，从而导致制得的气体扩散层不易干燥，并会出现裂缝；如果所述的疏水剂与导电碳材料的质量比小于0.01∶1，则不能实现疏水的效果。

所述导电碳材料可以是碳粉、石墨、乙炔碳黑或高炉碳黑中的一种或几种的混合物，其粒径为20～40nm。

所述有机造孔剂为水溶性高分子材料，可以是聚氧化乙烯，聚乙烯醇、聚羧酸或聚

乙烯醇缩丁醛中的任意一种，其分子量为400～10000，优选1000～5000。

所述的保水剂为低分子量高沸点水溶性多元醇类，可以是丙三醇、乙二醇或丙二醇中的任意一种；本发明中采用低分子量高沸点的多元醇类，其沸点在100℃～350℃，不仅可以起到保湿的作用，也可以充分保持整平层组合物的流动性，并且这类醇能够在气体扩散层干燥的过程中完全挥发。

所述的溶剂为醇或水，所述的醇优选低分子醇溶液，可以是异丙醇、无水乙醇、正丙醇、正丁醇或环己醇中的一种或几种的混合物，所述的水优选去离子水。

所述的疏水剂可以是聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)。

在质子交换膜燃料电池中，通畅的气体、水、电子、热量和质子传输，可以有效地提高催化剂的利用效率，延长电池的发电效率，提高电池的综合性能。本发明的整平层组合物可以有效降低碳纸表面的孔隙率，增加气体扩散层的机械强度，使在催化剂表面反应产生的电子传递到碳纸和碳板；另外，采用具有疏水通道成分的聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)作为疏水剂，虽然其本身导电性能和导热性能较差，但是烧结以后能够把碳粉固定在碳纤维类支撑体上，可以有效地减少电极内的质量迁移。

本发明选用有机水溶性高分子聚合物作为造孔剂，主要是因为其独特的热力学稳定性，所述的有机水溶性高分子聚合物在疏水剂烧结温度360℃以下，会产生部分碳化和部分分解，在升温加热的过程中，其分解产物从涂层内部逐渐扩散到表层的过程，会形成很多弯曲微小的孔径，由于有机水溶性高分子聚合物的作用，这部分孔径在后续过程中不会被破坏，而这种高分子材料未被分解的部分发生碳化，碳化后的生成物仍然极易溶解在热水中，因此，这种造孔剂的造孔过程发生在干燥烧结和膜电极的活化两个过程中。

所述的燃料电池整平层组合物的制备方法，包括以下步骤：

1)将有机造孔剂溶解于溶剂中，搅拌均匀后，加入到导电碳材料中，向其中加入保水剂，充分搅拌混合，制得混合浆料；

2)采用高速剪切分散机将步骤1)制得的混合浆料在6000～24000r/min的剪切速率下，充分均质30～200min；

3)向步骤2)制得的浆料中加入疏水剂，接着超声分散20～100min后制得所需的整平层组合物。

经高速剪切后所得到的具有明显触变性的料浆，经过超声分散用以排除剪切过程中产生的气泡。

本发明中的整平层组合物，其制备过程中包含高速剪切分散，使其中的碳粉颗粒恢复到或接近其原生粒径；在剪切的过程中，料浆受离心力的作用从乳化头定子四周的孔中挤出，而其余的料浆受负压的作用被从转子底部吸入，在转子内流向定子的时候，料浆要穿过高速旋转的转子空隙，这样料浆中的颗粒就会被转子剪切成更小的颗粒，甚至恢复原生粒径；在经过剪切的料浆在涂布后的SEM照片中，碳分的平均粒径在40～80nm，而且分布非常均匀。剪切均质能够大大改善碳粉在料浆中的微观状态，减少了团聚现象，使用该方法制备的料浆涂布在多孔基层上，可以改善其在多孔基层表面的分布情况，降低接触电阻。

一种燃料电池气体扩散层，包括多孔基层和在多孔基层上涂布所述整平层组合物构成的整平层。

所述的多孔基层可以是碳纸、碳布或泡沫镍。

所述的气体扩散层通过将上述方法制备的整平层组合物涂布到所述多孔基层上制得；所述的涂布可以采用丝网印刷、刮涂或喷涂等方式。

与现有技术相比，本发明的整平层组合物可以有效降低碳纸表面的孔隙率，增加气体扩散层的机械强度，降低了整平层与催化层之间的接触电阻；并且包含该组合物的气体扩散层，具有良好的机械强度、导电性，表面均匀，而且同样具有良好的透气性。与现有技术相比，本发明的整平层组合物的制备方法，大大改善了碳粉在料浆中的微观状态，减少了团聚现象，使用该方法制得的料浆涂布在碳纸上，可以改善其在碳纸表面的分布情况，降低接触电阻。

附图说明

图1为根据本发明优选实施例的气体扩散层经过高温烧结后的表面电镜图；

图2为根据本发明优选实施例的气体扩散层经过高温烧结后的截面电镜图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明，但不限于实施例的内容。

实施例1

称取10g分子量为400的聚氧化乙烯，将其溶解于50g无水乙醇中，搅拌均匀后，依次向其中加入100g碳粉(Cabot公司生产，VulcanXC-72R型)，其粒径为20nm和50g丙三醇，充分搅拌后，制得混合料浆，使用高速剪切分散机(德国IKAT25型)将上述混合料浆在6000r/min的剪切速率下，充分均质60min，使之形成均匀粘稠的料浆；然后向其中加入20g5wt％的PTFE乳液，超声分散30min后，即制得整平层组合物料浆。

将上述制备好的料浆，经过自动丝网印刷的方式涂布在经过疏水处理的碳纸表面，制得本发明的气体扩散层，如图1或图2所示。

实施例2

称取15g分子量为1000的聚乙烯醇，将其溶解于150g正丙醇中，搅拌均匀后，依次向其中加入30g微晶石墨，其粒径为30nm和300g丙三醇，充分搅拌后，制得混合料浆，使用高速剪切分散机(德国IKAT25型)将上述混合料浆在10000r/min的剪切速率下，充分均质30min，使之形成均匀粘稠的料浆；然后向其中加入60g5wt％的PVDF乳液，超声分散20min后，即制得整平层组合物料浆。

将上述制备好的料浆，经过自动刀刮涂布的方式涂布在经过疏水处理的碳布表面，制得本发明的气体扩散层。

实施例3

称取5g分子量为5000的聚羧酸，将其溶解于500g异丙醇中，搅拌均匀后，依次向其中加入30g乙炔碳黑，其粒径为40nm和60g丙三醇，充分搅拌后，制得混合料浆，使用高速剪切分散机(德国IKAT25型)将上述混合料浆在24000r/min的剪切速率下，充分均质200min，使之形成均匀粘稠的料浆；然后向其中加入600g 5wt％的PTFE乳液，超声分散100min后，即制得整平层组合物料浆。

将上述制备好的料浆，经过手动丝网印刷的方式涂布在经过疏水处理的碳布表面，制得本发明的气体扩散层。

实施例4

称取10g分子量为10000的聚氧化乙烯，将其溶解于200g正丁醇中，搅拌均匀后，依次向其中加入33.3g高炉碳黑，其粒径为25nm和132g丙三醇，充分搅拌后，制得混合料浆，使用高速剪切分散机(德国IKAT25型)将上述混合料浆在12000r/min的剪切速率下，充分均质100min，使之形成均匀粘稠的料浆；然后向其中加入130g5wt％的PTFE乳液，超声分散50min后，即制得整平层组合物料浆。

将上述制备好的料浆，经过手动刮涂的方式涂布在经过疏水处理的碳纸表面，制得本发明的气体扩散层。

实施例5

称取10g分子量为3000的聚氧化乙烯，将其溶解于200g环己醇中，搅拌均匀后，依次向其中加入50g碳粉(Cabot公司生产，Vulcan XC-72R型)和乙炔碳黑以及150g丙三醇，充分搅拌后，制得混合料浆，使用高速剪切分散机(德国IKAT25型)将上述混合料浆，在19000r/min的剪切速率下，充分均质160min，使之形成均匀粘稠的料浆；然后向其中加入80g5wt％的PTFE乳液，超声分散80min后，即制得整平层组合物料浆。

实施例6

称取8g分子量为6000的聚氧化乙烯，将其溶解于53g无水乙醇和异丙醇中，搅拌均匀后，依次向其中加入20g碳粉(Cabot公司生产，Vulcan XC-72R型)，其粒径为35nm和50g丙三醇，充分搅拌后，制得混合料浆，使用高速剪切分散机(德国IKAT25型)将上述混合料浆，在15000r/min的剪切速率下，充分均质80min，使之形成均匀粘稠的料浆；然后向其中加入20g5wt％的PTFE乳液，超声分散60min后，即制得整平层组合物料浆。

将上述制备好的料浆，经过自动丝网印刷的方式涂布在经过疏水处理的碳纸表面，制得本发明的气体扩散层。

Claims

1.一种燃料电池整平层组合物，其特征在于包括导电碳材料、有机造孔剂、保水剂、溶剂以及疏水剂，所述的导电碳材料、有机造孔剂、保水剂以及疏水剂的质量比为1∶0.1～0.5∶0.5～10∶0.01～1。

2.根据权利要求1所述的燃料电池整平层组合物，其特征在于所述导电碳材料为碳粉、石墨、乙炔碳黑或高炉碳黑中的一种或几种的混合物，其粒径为20～40nm。

3.根据权利要求1所述的燃料电池整平层组合物，其特征在于所述有机造孔剂为聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚羧酸或聚乙烯醇缩丁醛中的任意一种，其分子量为400～10000。

4.根据权利要求3所述的燃料电池整平层组合物，其特征在于所述有机造孔剂分子量为1000～5000。

5.根据权利要求1所述的燃料电池整平层组合物，其特征在于所述的保水剂为丙三醇、乙二醇或丙二醇中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的燃料电池整平层组合物，其特征在于所述的溶剂为醇或水。

7.根据权利要求6所述的燃料电池整平层组合物，其特征在于所述的醇为异丙醇、无水乙醇、正丙醇、正丁醇或环己醇中的一种或几种的混合物，所述的水为去离子水。

8.根据权利要求1所述的燃料电池整平层组合物，其特征在于所述的疏水剂为聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。

9.一种燃料电池整平层组合物的制备方法，包括以下步骤：

10.一种燃料电池气体扩散层，包括多孔基层和在多孔基层上涂布所述整平层组合物构成的整平层；所述的多孔基层为碳纸、碳布或泡沫镍。