CN105304916A - 用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板及其制备方法 - Google Patents

用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板，所述超疏水多孔流场板分别设置在直接甲醇燃料电池阴极侧集电板中间的镂空部和阳极侧集电板中间的镂空部，其疏水表面的去离子水稳定接触角大于155°，孔隙率为70%~80%，厚度为1~3mm。本发明还提供了一种所述超疏水多孔流场板的制备方法，包括步骤：(1)铜纤维毡表面预处理；(2)碱辅助表面氧化工艺；(3)固相烧结；(4)低表面能溶液修饰工艺。本发明能够实现阳极侧直接阻碍甲醇穿透，阴极侧实现“水反补”，使得阴极侧产生的水能够反补会阳极侧，防止“水淹”，间接阻碍甲醇穿透，从而提高电池性能，同时工艺简单，表面强度高，有效防止出现疏水表层脱落现象。

Description

用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板及其制备方法
技术领域
本发明涉及被动式甲醇燃料电池技术领域,特别涉及一种用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板及其制备方法。
背景技术
当下，能源危机越来越严重，且传统的化学能源存在环境污染大、能源利用率低等弊病，在此种背景下，燃料电池显示出其特有的优势：环保、清洁，而且能够直接将化学能源源不断的转化为电能。然而在直接甲醇燃料电池中，同样存在着由甲醇穿透引起的阳极侧“中毒”、由水穿透引起的阴极“水淹”以及蒸汽式电池中的“阳极缺水”等问题。多孔金属材料的毛细力能够实现对液态直接甲醇燃料电池燃料的合理分布、适当供给，也能够有效缓解电池“阴极侧”因水淹而带来的影响，同时超疏水多孔材料应用于蒸汽式直接甲醇燃料电池的阴极侧时，能够实现“水反补”的作用，使得阴极侧产生的水反补回阳极侧，提高电池性能。
超疏水材料的去离子水稳定接触角大于155°，现有的制备超疏水铜表面的方法很多，如电沉积法、氟化法，等离子表面处理等。这些方法大多比较繁琐、费事，设备昂贵。其中，通过碱辅助表面氧化和低表面能溶液修饰工艺制备超疏水铜表面的方法相比于其他方法具有简单、高效、低成本等优点，然而其存在超疏水铜表面层结合强度不足，容易脱落的缺点，限制了其在电池装配及使用过程中的应用。
发明内容
针对现有技术存在的缺点和不足，本发明公开了一种用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板及其制备方法，超疏水多孔流场板以多孔铜材料-铜纤维毡作为基体，所述超疏水多孔流场板在传统的碱辅助表面氧化工艺和低表面能溶液修饰工艺之间引入固相烧结工艺，相比于传统碱辅助表面氧化后低表面能溶液修饰工艺制备的结构，固相烧结增强了超疏水表面结构与基体的结合强度，可有效防止超疏水层的脱落，而且该方法制作过程简单、高效、成本低廉，有利于其在被动式液态和气态直接甲醇燃料电池中的应用。
本发明提供的用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板技术方案如下：
一种用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板，所述超疏水多孔流场板分别设置在直接甲醇燃料电池阴极侧集电板中间的镂空部和阳极侧集电板中间的镂空部，其疏水表面的去离子水稳定接触角大于155°，孔隙率为70%~80%，厚度为1~3mm。
进一步地，所述超疏水多孔流场板的材料为铜纤维。
进一步地，所述铜纤维的直径为100~300um。
本发明提供的用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板的制备方法的技术方案如下：
一种如所述的超疏水多孔流场板的制备方法，包括如下步骤：
(1)铜纤维毡表面预处理：将制备好的铜纤维毡依次浸入浓度为120g/L的NaOH溶液中碱洗30s~5min和质量分数为5wt%的HCl溶液中酸洗30s~5min，最后用去离子水清洗干净，空气中风干；
(2)碱辅助表面氧化工艺：将步骤(1)清洗后的铜纤维毡浸泡在碱辅助表面氧化溶液中沉积5min~1h，反应结束后取出，采用去离子水清洗干净，空气中风干；
(3)固相烧结：将经过步骤(2)处理后的铜纤维毡放入具有保护气体保护的电阻炉中在300~500℃下保温0.5~2h；
(4)低表面能溶液修饰工艺：将步骤(3)烧结后的铜纤维毡浸泡在低表面能修饰溶液中修饰12h~3d，修饰结束后取出，采用丙酮试剂清洗干净，然后空气中风干，即得到有超疏水微-纳阶层复合结构的牢固超疏水表面。
表面修饰技术为在传统的碱辅助表面氧化工艺和低表面能溶液修饰工艺之间引入固相烧结工艺，以增强超疏水表面结构与基体的结合强度，防止使用过程中超疏水层的脱落。
进一步地，所述碱辅助表面氧化溶液为1~3mol/LNaOH和0.05~0.2mol/LK2S2O8的去离子水溶液。
进一步地，所述低表面能修饰溶液为0.001~0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液。
进一步地，所述的保护气体为氢气、氩气或氮气。
所述超疏水多孔流场板在功率为50W/40KHz的超声波仪器中振动5min后，铜片表面超疏水层结构稳定无脱落现象，去离子水稳定接触角仍然大于155°。
相比现有技术，本发明的有益效果是：所获得的超疏水铜表面具有良好的表面结合强度，防止在使用过程中的脱落导致失效，同时具备工艺简单、高效、低成本的优点。
附图说明
图1是装有超疏水多孔流场板的直接甲醇燃料电池的装配示意图。
图2碱辅助表面氧化工艺后超疏水流场板表面SEM图。
图3是经表面修饰技术后超疏水流场板表面SEM图。
图中1-阴极端盖，2-硅胶垫片，3-集电板，4-聚四氟乙烯垫片，5-质子交换膜，6-超疏水多孔流场板，7-阳极燃料腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不再在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
实施例一
如图1所示，一种用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板，所述超疏水多孔流场板6分别设置在直接甲醇燃料电池阴极侧集电板3中间的镂空部和阳极侧集电板3中间的镂空部，其疏水表面的去离子水稳定接触角大于155°，孔隙率为70%~80%，厚度为1~3mm。
所述超疏水多孔流场板的材料为铜纤维，其直径为100~300um。
如图1所示，直接甲醇燃料电池依次由阴极端盖1、硅胶垫片2、集电板3、聚四氟乙烯垫片4、质子交换膜5、聚四氟乙烯垫片4、集电板3、硅胶垫片2、阳极燃料腔7组成，所述超疏水多孔流场板6分别设置在直接甲醇燃料电池阴极侧集电板3中间的镂空部和阳极侧集电板3中间的镂空部，所述超疏水多孔流场板6应用于直接甲醇燃料电池阴极或阳极侧，以增加质子交换膜5两端的水力差。
阴极侧集电板3的超疏水多孔流场板6可以将阴极反应产生的水受迫反补到阳极侧参与阳极电极反应，同时在阳极侧集电板3的超疏水多孔流场板6防止阳极侧水分的流失。具体的工作原理为：在阴极侧，空气通过阴极端盖1进入到超疏水多孔流场板6，到达质子交换膜5的电极区域反应，阴极反应产物水在超疏水多孔流场板6的疏水作用下，使得水不能排出，并不断蓄积，蓄积水在超疏水多孔流场板6的排斥作用下，被迫向阳极区水浓度低的区域扩散，而参与阳极区的电极反应，从而实现阴极水反补，同时水的反补运动可以抑制阳极甲醇向阴极区穿透，对提高电池的输出性能，提高燃料利用率具有促进作用，所述阴极侧集电板3的超疏水多孔流场板6能够防止阳极水分流失，为阳极侧的反应提供必要的水份，保证电极反应的顺畅进行。
实施例二
一种如所述的超疏水多孔流场板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、铜纤维毡表面的预处理：将制备好的铜纤维毡依次浸入浓度为120g/L的NaOH溶液中碱洗30s和质量分数为5wt%的HCl溶液中酸洗30s，最后用去离子水清洗干净，空气中风干；
步骤2、碱辅助表面氧化工艺：将步骤1清洗后的铜纤维毡浸泡在浓度为2mol/L的NaOH和浓度为0.1mol/L的K2S2O8的去离子水溶液中沉积1h，反应结束后取出，采用去离子水清洗干净，空气中风干(见图2)；
步骤3、固相烧结工艺：将经过步骤2处理后的铜纤维毡放入具有氢气保护的KBF16Q气氛炉中，在450℃下保温1h；
步骤4、低表面能溶液修饰工艺：将步骤3烧结后的铜纤维毡浸泡在浓度为0.005mol/L的硬脂酸乙醇溶液中修饰1天，修饰结束后取出，采用丙酮试剂清洗干净，然后空气中风干，得到表面生长出具有颗粒状、灌木状、绒毛状相间分布的复合微-纳结构的超疏水铜纤维毡(见图3)。
本实施例中，所述具有超疏水表面的铜纤维毡在功率为50W/40KHz的超声波仪器中振动5min后，铜纤维毡表面超疏水层结构稳定无脱落现象，去离子水稳定接触角仍然大于155°。
实施例三
一种如所述的超疏水多孔流场板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、铜纤维毡表面的预处理：将制备好的铜纤维毡依次浸入浓度为120g/L的NaOH溶液中碱洗3min和质量分数为5wt%的HCl溶液中酸洗3min，最后用去离子水清洗干净，空气中风干；
步骤2、碱辅助表面氧化工艺：将步骤1清洗后的铜纤维毡浸泡在浓度为3mol/L的NaOH和浓度为0.2mol/L的K2S2O8的去离子水溶液中沉积5min，反应结束后取出，采用去离子水清洗干净，空气中风干；
步骤3、固相烧结工艺：将经过步骤2处理后的铜纤维毡放入具有氩气保护的KBF16Q气氛炉中，在500℃下保温2h；
步骤4、低表面能溶液修饰工艺：将步骤3烧结后的铜纤维毡浸泡在浓度为0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液中修饰3d，修饰结束后取出，采用丙酮试剂清洗干净，然后空气中风干，即得到有超疏水微-纳阶层复合结构的超疏水铜纤维毡。
本实施例中，所述具有超疏水表面的铜纤维毡在功率为50W/40KHz的超声波仪器中振动5min后，铜纤维毡表面超疏水层结构稳定无脱落现象，去离子水稳定接触角仍然大于155°。
实施例四
一种如所述的超疏水多孔流场板的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、铜纤维毡表面的预处理：将制备好的铜纤维毡依次浸入浓度为120g/L的NaOH溶液中碱洗5min和质量分数为5wt%的HCl溶液中酸洗5min，最后用去离子水清洗干净，空气中风干；
步骤2、碱辅助表面氧化工艺：将步骤1清洗后的铜纤维毡浸泡在浓度为1mol/L的NaOH和浓度为0.05mol/L的K2S2O8的去离子水溶液中沉积0.5h，反应结束后取出，采用去离子水清洗干净，空气中风干(见图2)；
步骤3、固相烧结工艺：将经过步骤2处理后的铜纤维毡放入具有氮气保护的KBF16Q气氛炉中，在300℃下保温0.5h；
步骤4、低表面能溶液修饰工艺：将步骤3烧结后的铜纤维毡浸泡在浓度为0.001mol/L的硬脂酸乙醇溶液中修饰12天，修饰结束后取出，采用丙酮试剂清洗干净，然后空气中风干，即得到有超疏水微-纳阶层复合结构的超疏水铜纤维毡(见图3)。
本实施例中，所述具有超疏水表面的铜纤维毡在功率为50W/40KHz的超声波仪器中振动5min后，铜纤维毡表面超疏水层结构稳定无脱落现象，去离子水稳定接触角仍然大于155°。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板，其特征在于：所述超疏水多孔流场板(6)分别设置在直接甲醇燃料电池阴极侧集电板(3)中间的镂空部和阳极侧集电板(3)中间的镂空部，其疏水表面的去离子水稳定接触角大于155°，孔隙率为70%~80%，厚度为1~3mm。
2.根据权利要求1所述的用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板，其特征在于：所述超疏水多孔流场板的材料为铜纤维。
3.根据权利要求2所述的用于直接甲醇燃料电池的超疏水多孔流场板，其特征在于：所述铜纤维的直径为100~300um。
4.一种如权利要求1至3中任一项所述的超疏水多孔流场板的制备方法，包括如下步骤：
(1)铜纤维毡表面预处理：将制备好的铜纤维毡依次浸入浓度为120g/L的NaOH溶液中碱洗30s~5min和质量分数为5wt%的HCl溶液中酸洗30s~5min，最后用去离子水清洗干净，空气中风干；
(2)碱辅助表面氧化工艺：将步骤1清洗后的铜纤维毡浸泡在碱辅助表面氧化溶液中沉积5min~1h，反应结束后取出，采用去离子水清洗干净，空气中风干；
(3)固相烧结：将经过步骤(2)处理后的铜纤维毡放入具有保护气体保护的电阻炉中在300~500℃下保温0.5~2h；
(4)低表面能溶液修饰工艺：将步骤(3)烧结后的铜纤维毡浸泡在低表面能修饰溶液中修饰12h~3d，修饰结束后取出，采用丙酮试剂清洗干净，然后空气中风干，即得到有超疏水微-纳阶层复合结构的牢固超疏水表面。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述碱辅助表面氧化溶液为1~3mol/LNaOH和0.05~0.2mol/LK2S2O8的去离子水溶液。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述低表面能修饰溶液为0.001~0.01mol/L的硬脂酸乙醇溶液。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述的保护气体为氢气、氩气或氮气。
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