CN105810973A - 一种燃料电池石墨烯气体扩散膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池气体扩散膜的制造技术，具体地说是一种燃料电池石墨烯气体扩散膜及其制备方法。由左向右依次包括质子导电介质层、碳负载型催化剂层、碳纤维导电纸层。所述质子导电介质层是石墨烯纳米导电涂料层。所述碳负载型催化剂层是碳纳米管负载钯型催化剂材料层。所述碳纤维导电层是石墨烯复合碳纤维和石墨烯复合涤纶纤维组成的石墨烯复合碳纤维导电纸。本发明提高了燃料电池的有效发电功率，有效提高碳纤维电导率，电子移动速度，碳纤维之间接触电导率，降低电阻率，提高燃料电池的有效发电功率，延长使用寿命。本发明有效的吸收分离燃料中的电子，快速输送电子和传质子，提高了燃料电池效率。

Description

一种燃料电池石墨烯气体扩散膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池气体扩散膜的制造技术，具体地说是一种燃料电池石墨烯气体扩散膜及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种二维的单层碳原子结构材料，是世界上最强、最坚硬、质量轻、最薄的物质，同时由于它在已知的材料中电阻率最小、传导电子速度最块的纳米半导体材料，因此也是最理想的电极材料，被认为可以引发很多材料的性能和质量。碳纤维，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维"外柔内刚"，质量比轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、耐高温、高模量、高导电、特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。碳纳米管，独特的结构使其具有众多特殊的物理、化学、电学和力学性能，因此碳纳米管在纳米电子学，能源材料，场发射，催化剂载体和高性能复合材料。碳纳米管作为高效催化剂不仅有高的活性物种浓度,而且能实现快速的传质，碳纳米管具有独特的中空管腔结构和优异的电子性质，吸附性能，力学及热力学稳定性能等非常适合作为催化剂载体。
目前，燃料电池的气体扩散层基低层材料是采用湿法造纸工艺，用4-5毫米短切碳纤维和木浆纤维制备的燃料电池气体扩散层基低层导电纸，再经过模压、浸渍树脂、碳化后制得作为燃料电池气体扩散层基低层的碳纤维导电纸。但是，由于木浆纤维的含量，导致导电纸厚、导电率受限，透气性差，憎水性差，碳化后的木浆纤维导电率低，碳纤维之间接触导电率不充分。目前，还有采用无纺工艺，用30-40毫米石墨烯复合涤纶纤维与碳纤维混合制备的碳纤维布。但是，碳布厚度比导电纸厚，阻碍质子通道，透气率有限，降低了燃料电池发电效率，碳纤维导之间接触导电率不充分。目前燃料电池气体扩散层的质子催化剂膜和质子导电介质膜还有待于更高的技术提升空间。
质子交换膜燃料电池是目前最有发展前景的清洁能源，是目前世界上研究热度最高的燃料电池。气体扩散层是质子交换膜燃料电池中的重要组件，起到支撑催化剂层，提供反应气体、生成水的重要传质通道，同时还要起到传输电能作用。高性能碳纤维是目前应用最广泛的气体扩散层基低材料，国外已经实现商业化生产，而我国尚没有实现。碳纤维导电纸的发展，已经成为我国自主开发燃料电池的重点关键技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的不足，提供一种燃料电池石墨烯气体扩散膜。
本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种燃料电池石墨烯气体扩散膜，由左向右依次包括质子导电介质层、碳负载型催化剂层、碳纤维导电纸层。燃料电池石墨烯气体扩散膜，按重量比，由75％-80％石墨烯复合碳纤维、24％-19％石墨烯复合涤纶纤维、1％助剂制备而得。
进一步的，所述质子导电介质层是石墨烯纳米导电涂料层。
进一步的，所述碳负载型催化剂层是碳纳米管负载钯型催化剂材料层。
进一步的，所述碳纤维导电层是石墨烯复合碳纤维和石墨烯复合涤纶纤维组成的石墨烯复合碳纤维导电纸。
进一步的，本发明还提供了一种燃料电池石墨烯气体扩散膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)制作石墨烯与碳纤维
将氧化石墨烯粉与去离子水重量比为1.5：100混合后，超声处理30min，得到石墨烯溶液；
石墨烯溶液与碳纤维重量比100:5，将石墨烯溶液与碳纤维按照重量比投放到蒸煮锅中，于100℃下蒸煮3h，之后去水，然后在碳化炉于400-600℃烘干碳化，得到石墨烯复合碳纤维材料；
(2)制作石墨烯复合涤纶纤维，所述石墨烯溶液与涤纶纤维、染色剂重量比是100:5:1，将以上材料投放到蒸煮锅蒸煮3h，之后去水得到石墨烯复合涤纶纤维；
(3)碳纤维导电层的制备
采用石墨烯复合碳纤维、石墨烯复合涤纶纤维、木浆纤维、造纸助剂按照湿法造纸工艺制作石墨烯复合碳纤维导电纸，所述石墨烯复合碳纤维、石墨烯复合涤纶纤维、木浆纤维重量比为80:18:1；
(4)步骤(3)得到的石墨烯复合碳纤维导电纸基底层进行憎水化处理，将导电纸材料均匀地渗入聚四氟乙烯乳液中，对其进行憎水处理，再将渗好的石墨烯复合碳纤维导电纸置于300-400℃烘箱内焙烧；
(5)将步骤(4)憎水处理后的石墨烯复合碳纤维导电纸其中一个表面进行利用激光喷涂机进行均匀喷涂，形成碳负载型催化剂层；
(6)在步骤(5)形成的碳负载型催化剂层上进行质子导电介质层处理，制得质子导电介质层，完成燃料电池石墨烯气体扩散膜制作。
所述步骤(5)可以利用氧化石墨烯和纳米钯盐制得碳纳米管负载钯型催化剂材料层，
所述步骤(6)将重量比位1.5％：40％：58％的氧化石墨烯、去离子水、异丙醇进行混合，超声震荡15min，在向其加入5％混合液体重量比的铁氟龙溶液，继续超声震荡15min，形成墨水状后，采用激光喷涂机喷涂在碳负载型催化剂层上，完成燃料电池石墨烯气体扩散膜制作。
所述石墨烯为5-10层纳米级氧化石墨烯。
所述质子导电介质层是石墨烯纳米导电涂料，所述碳负载型催化剂层是碳纳米管负载型催化剂涂料，所述碳纤维导电层是石墨烯复合碳纤维和石墨烯复合涤纶纤维组成的的石墨烯复合碳纤维导电纸。
本发明石墨烯复合涤纶纤维，在导电纸中有效的提高导电纸的机械强度、抗水性、透气性、导电率，降低导电纸的厚度和电阻率，提高燃料电池的有效发电功率。本发明石墨烯碳纤维复合，在导电纸中有效提高碳纤维电导率，电子移动速度，碳纤维之间接触电导率，降低电阻率，提高燃料电池的有效发电功率，延长使用寿命。本发明高导电石墨烯导电介质，更有效的吸收分离燃料中的电子，快速输送电子和传质子，提高了燃料电池效率。
本发明碳纳米管高效催化剂，作为燃料电池催化剂，具有优异的阳极氧化、阴极氧还原性能，高导电性，成本低，提高燃料电池效率。
附图说明
图1为本发明燃料电池气体扩散单膜工作原理结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明。
如图1所示，一种燃料电池石墨烯气体扩散膜，由左向右依次包括质子导电介质层1、碳负载型催化剂层2、碳纤维导电纸层3。
一制备过程
(1)制作石墨烯与碳纤维
将氧化石墨烯粉与去离子水重量比为1.5：100混合后，超声处理30min，得到石墨烯溶液；
石墨烯溶液与碳纤维重量比100:5，将石墨烯溶液与碳纤维按照重量比投放到蒸煮锅中，于100℃下蒸煮3h，之后去水，然后在碳化炉于400-600℃烘干碳化，得到石墨烯复合碳纤维材料；
(2)制作石墨烯复合涤纶纤维，所述石墨烯溶液与涤纶纤维、染色剂重量比是100:5:1，将以上材料投放到蒸煮锅蒸煮3h，之后去水得到石墨烯复合涤纶纤维；
(3)碳纤维导电层的制备
采用石墨烯复合碳纤维、石墨烯复合涤纶纤维、木浆纤维、造纸助剂按照湿法造纸工艺制作石墨烯复合碳纤维导电纸，所述石墨烯复合碳纤维、石墨烯复合涤纶纤维、木浆纤维重量比为80:18:1；
(4)步骤(3)得到的石墨烯复合碳纤维导电纸基底层进行憎水化处理，将导电纸材料均匀地渗入聚四氟乙烯乳液中，对其进行憎水处理，再将渗好的石墨烯复合碳纤维导电纸置于300-400℃烦人烘箱内焙烧。
(5)将步骤(4)憎水处理后的石墨烯复合碳纤维导电纸其中一个表面进行利用激光喷涂机进行均匀喷涂，形成碳负载型催化剂层。
(6)将重量比1.5％：40％：58％的氧化石墨烯、去离子水、异丙醇进行混合，超声震荡15min，在向其加入5％混合液体重量比的铁氟龙溶液，继续超声震荡15min，形成墨水状后，采用激光喷涂机喷涂在碳负载型催化剂层上，完成燃料电池石墨烯气体扩散膜制作。
二、表征数据
将本发明石墨烯复合碳纤维导电纸与木浆纤维导电纸表征数据如下；
(1)导电纸性能数据如下：
如表1所示，本发明石墨烯复合碳纤维导电纸在纸张紧度、抗张强度、憎水度、透气度都显示出了良好的效果。
(2)性能强度试验，测试方法采用GB/T451.2，GB/T451.3，由于碳纤维导电层实际燃料电池应用当中被水浸透，所以用石墨烯复合碳纤维导电纸浸渍水法来代替测试实际应用中的性能强度。
木浆导电纸与添加20％涤纶纤维后的石墨烯复合碳纤维导电纸强度比较；
如上表1所示，在添加20％涤纶超短纤维后的石墨烯复合碳纤维导电纸，无论是纵向撕裂强度MPa还是横向撕裂强度MPa均比天然木浆纸提高了2～3倍，透气性提高50％。
(2)电阻率
表2电导率数据如下：
如上表2，本发明石墨烯复合碳纤维导电纸电导率较普通碳纤维电导率了下降了12.5％。
以上本发明石墨烯复合涤纶纤维在导电纸中有效的提高导电纸的机械强度、抗水性、透气性、导电率，降低导电纸的厚度和电阻率，提高燃料电池的有效发电功率。高导电石墨烯导电介质，更有效的吸收分离燃料中的电子，快速输送电子和传质子，提高了燃料电池效率。碳纳米管高效催化剂，作为燃料电池催化剂，具有优异的阳极氧化、阴极氧还原性能，高导电性，成本低，提高燃料电池效率。
尽管上面对本发明的优选实例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种燃料电池石墨烯气体扩散膜，其特征在于：由左向右依次包括质子导电介质层、碳负载型催化剂层、碳纤维导电纸层。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池石墨烯气体扩散膜，其特征在于：所述质子导电介质层是石墨烯纳米导电涂料层。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃料电池石墨烯气体扩散膜，其特征在于：所述碳负载型催化剂层是碳纳米管负载钯型催化剂材料层。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池石墨烯气体扩散膜，其特征在于：所述碳纤维导电层是石墨烯复合碳纤维和石墨烯复合涤纶纤维组成的石墨烯复合碳纤维导电纸。
5.根据权利要求1-4所述的一种燃料电池石墨烯气体扩散膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)制作石墨烯与碳纤维
将氧化石墨烯粉与去离子水重量比为1.5：100混合后，超声处理30min，得到石墨烯溶液；
石墨烯溶液与碳纤维重量比100:5，将石墨烯溶液与碳纤维按照重量比投放到蒸煮锅中，于100℃下蒸煮3h，之后去水，然后在碳化炉于400-600℃烘干碳化，得到石墨烯复合碳纤维材料；
(2)制作石墨烯复合涤纶纤维，所述石墨烯溶液与涤纶纤维、染色剂重量比是100:5:1，将以上材料投放到蒸煮锅蒸煮3h，之后去水得到石墨烯复合涤纶纤维；
(3)碳纤维导电层的制备
采用石墨烯复合碳纤维、石墨烯复合涤纶纤维、木浆纤维、造纸助剂按照湿法造纸工艺制作石墨烯复合碳纤维导电纸，所述石墨烯复合碳纤维、石墨烯复合涤纶纤维、木浆纤维重量比为80:18:1；
(4)步骤(3)得到的石墨烯复合碳纤维导电纸基底层进行憎水化处理，将导电纸材料均匀地渗入聚四氟乙烯乳液中，对其进行憎水处理，再将渗好的石墨烯复合碳纤维导电纸置于300-400℃烘箱内焙烧；
(5)将步骤(4)憎水处理后的石墨烯复合碳纤维导电纸其中一个表面进行利用激光喷涂机进行均匀喷涂，形成碳负载型催化剂层；
(6)在步骤(5)形成的碳负载型催化剂层上进行质子导电介质层处理，制得质子导电介质层，完成燃料电池石墨烯气体扩散膜制作。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池石墨烯气体扩散膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)可以利用氧化石墨烯和纳米钯盐制得碳纳米管负载钯型催化剂材料层。
7.根据权利要求5所述的一种燃料电池石墨烯气体扩散膜的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)将重量比位1.5％：40％：58％的氧化石墨烯、去离子水、异丙醇进行混合，超声震荡15min，在向其加入5％混合液体重量比的铁氟龙溶液，继续超声震荡15min，形成墨水状后，采用激光喷涂机喷涂在碳负载型催化剂层上，完成燃料电池石墨烯气体扩散膜制作。
8.根据权利要求5所述的一种燃料电池石墨烯气体扩散膜的制备方法，其特征在于：所述石墨烯为5-10层纳米级氧化石墨烯。
9.根据权利要求5所述的一种燃料电池石墨烯气体扩散膜的制备方法，其特征在于：所述质子导电介质层是石墨烯纳米导电涂料，所述碳负载型催化剂层是碳纳米管负载型催化剂涂料，所述碳纤维导电层是石墨烯复合碳纤维和石墨烯复合涤纶纤维组成的的石墨烯复合碳纤维导电纸。
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