CN109817994A - 一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法。包括如下制备过程：（1）将裹覆发泡剂的氯化钠分为三个粒径等级的颗粒；（2）将大粒径颗粒、碳纤维、聚合物、木质纤维、分散剂混合得到A料；（3）将中粒径颗粒、多孔碳黑、聚合物、分散剂混合得到B料；（4）将小粒径颗粒、石墨、石墨烯、聚合物、分散剂混合得到C料；（5）将A料、B料、C料制成微发泡共挤膜；（6）将微发泡共挤膜浸水清洗，得到燃料电池梯度气体扩散层碳膜。本发明的方法实现了连续可控制备具有梯度空隙的碳膜，对催化剂具有良好的支撑性，同时可有效阻止催化剂的损失和水淹，保证了气体和水的快速传输，提升了使用性能。

Description

一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法。

背景技术

随着全球能源及环境问题日益严重，高效、环境友好、清洁的新能源技术被认为是21世纪最有发展潜力的新技术。其中，质子交换膜燃料电池由于具有高的功率密度、高的能量转换效率、低温启动、无污染、体积轻巧、对压力变化不敏感及电池寿命长等诸多优点，被认为是首选的洁净、高效的发电装置。在新能源汽车领域具有巨大的应用潜力。

燃料电池中，膜电极组件（MEA）是核心元件，其不但原料成本高，而且制备复合工艺要求高。膜电极组件是以质子交换膜为夹层中心，在两侧分别复合催化层、气体扩散层而形成的扩散层-催化层-质子交换膜-催化层、扩散层结构的组合件。

燃料电池扩散层是影响电池性能的关键部件，其主要作用有：支撑催化剂和膜结构；均匀分布气体；支撑整体结构，同时扩散层又是气体、电子和水的传输通道。因此要求扩散层兼具导电、多孔、疏水、强度的综合特性。目前，气体扩散层基底材料主要有碳纤维纸，碳纤维编织布、碳无纺布等。其中，碳纸较脆，影响使用，而且成本高、制备能耗高；碳布则过于软，挺度低制备工艺复杂，容易变形。而将碳材料与聚合物热塑化挤出压延可以实现良好的成型，大幅简化了成型工艺，实现了规模化、低成本制备柔性碳纸，成为目前研究的热点课题。

中国发明专利申请号201310504496.1公开了一种燃料电池气体扩散层专用高性能碳纸及其制备方法，碳纸以短切碳纤维、植物纤维、热粘合纤维和炭黑为原料，经疏解、打浆和配浆后用湿法造纸工艺抄纸，然后经防水涂料涂布处理制成，各原料的配比以重量份计如下：短切碳纤维65~75份，植物纤维10~15份，热粘合纤维10~15份和炭黑0~10份。

中国发明专利申请号200810137131.9公开了一种用于燃料电池的气体扩散层及其制备方法。该气体扩散层中的多孔材料层由多孔纤维层和生长在多孔纤维层的纤维上的碳纳米须组成，制备方法为：清洗并干燥多孔纤维层；在纤维表面负载钴、镍或钴镍合金的纳米颗粒；在纤维表面生长碳纳米须；憎水处理;；将浆料涂覆在支撑层的表面上再烧结。

根据上述，现有方案中用于燃料电池气体扩散层的碳纤维纸，碳纤维编织布、碳无纺布等机械性能差、制备工艺复杂，而将碳材料与聚合物热塑化挤出压延的方法虽然改善了机械性能，但发泡过程难以控制，孔隙分布差，透气性不理想。

发明内容

目前应用较广的燃料电池气体扩散层使用的挤出压延碳膜，存在透气性较差的缺陷，并且使用发泡处理时其空隙大小难以控制，无法满足燃料电池扩散层的要求，因此，本发明提出了一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，可有效解决上述技术问题。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，制备的具体过程为：

（1）先将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机，在主轴转速为4000~4500r/min下研磨20~30min，使发泡剂均匀裹覆于氯化钠颗粒表面，然后将制得的裹覆发泡剂的氯化钠经三级旋风分离器分为三个粒径等级：20~30μm、10~15μm、3~5μm，备用；

（2）将步骤（1）得到的粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠、碳纤维、聚合物、木质纤维、分散剂加入高速混合机，以1000~2000r/min的转速混合分散10~20min，得到A料；

（3）将步骤（1）得到的粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠、多孔碳黑、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1000~2000r/min的转速混合分散10~20min，得到B料；

（4）将步骤（1）得到的粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠、石墨、石墨烯、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1000~2000r/min的转速混合分散10~20min，得到C料；

（5）将步骤（2）得到的A料、步骤（3）得到的B料、步骤（4）得到的C料按照质量比3：2：1分别加入三层共挤挤出机的下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机中，经共挤模头复合、微发泡、双向拉伸，得到由下到上依次为A-B-C的微发泡共挤膜；

（6）先将步骤（5）得到的微发泡共挤膜浸入清水中20~30min溶解除脱微米级氯化钠颗粒，清洗、辊压平整、干燥、卷取，得到燃料电池梯度气体扩散层碳膜。

有机发泡剂作为放热型发泡剂，达到一定温度后可急速分解，操作简捷，发气量比较稳定，可测算发泡剂用量和发泡率的关系，因而本发明选择有机发泡剂中的偶氮类或苯磺发泡剂进行发泡。优选的，所述发泡剂为偶氮二甲酰胺、偶氮胺基苯、偶氮异丁腈、苯磺酰肼、对甲苯磺酰肼中的至少一种。

优选的，步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）中所述聚合物均选自聚四氟乙烯、聚砜、聚醚醚酮、超高分子量聚乙烯中的至少一种。

优选的，步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）中所述分散剂均选自聚乙烯蜡、硬脂酸中的至少一种。

进一步的，发泡剂用量的精确控制是纤维良好微发泡效果的关键，如用量过大，易形成大孔且不均匀，而用量过小，则出现发泡不理想，因此，本发明严格控制发泡剂的用量，以达到微发泡的目的，避免发泡剂形成大孔，影响碳膜空隙的梯度控制，同时准确控制不同粒径的裹覆有发泡剂的氯化钠与聚合物的比例，以达到准确控制粒径梯度的目的。

作为本发明的优选方案，步骤（1）中，按重量份计，其中：氯化钠100份、发泡剂2份。

并且，步骤（2）中，按重量份计，其中：粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠5~8份、碳纤维30~35份、聚合物45~59份、木质纤维5~10份、分散剂1~2份；

步骤（3）中，按重量份计，其中：粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠5~8份、多孔碳黑35~40份、聚合物50~59份、分散剂1~2份；

步骤（4）中，按重量份计，其中：粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠5~8份、石墨20~25份、石墨烯15~20份、聚合物45~59份、分散剂1~2份。

利用双螺杆三层共挤微发泡制备微发泡膜时，螺杆挤出段的最高温度应高于所用聚合物的熔点15~20℃，同时相邻区段的温差不宜太大（不超过10℃为宜），使得共挤过程中发泡稳定、泡孔均匀。另外，拉伸作用可使所得微发泡膜内部的纤维大分子取向，影响膜材的拉伸强度等机械性能，并得到所需厚度，因此，拉伸倍数是影响膜材机械性能和厚度尺寸的重要过程。作为本发明的优选方案，步骤（5）所述下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机均为双螺杆挤出机，螺杆直接均为30~50mm，长径比均为40~50；下层挤出机的螺杆转速为270~290r/min，中层挤出机的螺杆转速为300~320r/min，上层挤出机的螺杆转速为310~330 r/min；下层发泡倍数为0.1~0.5，双向拉伸的纵向拉伸拉伸比为6~8，横向拉伸拉伸比为3~5。

厚度是影响气体扩散层性能的一项重要参数，扩散层太厚，气体传递路径长，增加了传质阻力，传质极化严重；如果扩散层太薄，会发生催化剂渗漏，因此，本发明对挤出后初步成型微发泡膜进行进一步拉伸，获得所需厚度的膜材。所得梯度气体扩散层碳膜的厚度为0.1~0.3mm。

进一步的，本发明通过在氯化钠颗粒表面裹覆发泡剂，形成不同粒径梯度的颗粒，通过三层共挤微发泡，微量的发泡剂发泡使得氯化钠与聚合物形成气相界面，利于将氯化钠洗脱，而且形成可控的空隙；由于A料、B料、C料中分散有不同粒径的裹覆有发泡剂的氯化钠，从而形成的碳膜底层分布不同孔径的大孔或微孔。

由上述方法制备得到的燃料电池梯度气体扩散层碳膜，由于A料、B料、C料中分散有不同粒径的裹覆有发泡剂的氯化钠，从而形成的碳膜底层分布有约20-30微米的大孔；中层分布10-15微米的微孔；上层分布3-5微米的微孔；该方法实现了连续可控制备具有梯度空隙的碳膜，得到的碳膜上层直接接触燃料电池的催化层，具有对催化剂良好的支撑性，微孔有效阻止催化剂的损失和水淹，并具有适当的亲水/ 僧水性，防止过多的水分阻塞扩散层的孔隙层中而导致气体透过性能的下降。无需再进行表面微孔层涂层处理。底层的大孔较佳的保证了水的快速传输，便于气体的疏输送和水的排除。

本发明提供的一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机研磨，使发泡剂裹覆在氯化钠颗粒表面，然后经三级旋风分离器将裹覆发泡剂的氯化钠分为三个粒径等级：20~30μm、10~15μm、3~5μm；将碳纤维、聚合物、木质纤维、20~30μm裹覆发泡剂的氯化钠、分散剂在高速混合机中分散，得到A料；将多孔碳黑、聚合物、10~15μm裹覆发泡剂的氯化钠、分散剂在高速混合机中分散，得到B料；将石墨、石墨烯、聚合物、3~5μm裹覆发泡剂的氯化钠、分散剂在高速混合机中分散，得到C料；将A料、B料、C料分别加入三层共挤挤出机的下层挤出机、中层挤出机，上层挤出机；经共挤模头复合，微发泡，双向拉伸，得到由下到上依次为A-B-C的微发泡共挤膜；将微发泡共挤膜拉伸，浸入清水，溶解除脱微米级颗粒氯化钠，清洗、辊压平整、干燥，卷取，即可。

本发明提供了一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

1、提出了利用三层共挤反应微发泡工艺制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法。

2、本发明的方法实现了连续可控制备具有梯度空隙的碳膜，得到的碳膜上层直接接触燃料电池的催化层，具有对催化剂良好的支撑性。

3、本发明制得的碳膜的微孔可有效阻止催化剂的损失和水淹，并具有适当的亲水/憎水性，可防止过多的水分阻塞扩散层的孔隙层中而导致气体透过性能的下降。

4、本发明的方法无需对气体扩散层进行表面微孔层涂层处理，同时底层的大孔较佳的保证了水的快速传输，便于气体的疏输送和水的排除。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。

实施例1

（1）先将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机，在主轴转速为4300r/min下研磨26min，使发泡剂均匀裹覆于氯化钠颗粒表面，然后将制得的裹覆发泡剂的氯化钠经三级旋风分离器分为三个粒径等级：20~30μm、10~15μm、3~5μm，备用；

发泡剂为偶氮二甲酰胺；其中：氯化钠100重量份、发泡剂2重量份；

（2）将步骤（1）得到的粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠、碳纤维、聚合物、木质纤维、分散剂加入高速混合机，以1600r/min的转速混合分散14min，得到A料；

其中：粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠7重量份、碳纤维32重量份、聚合物53重量份、木质纤维7重量份、分散剂1重量份；

（3）将步骤（1）得到的粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠、多孔碳黑、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1600r/min的转速混合分散14min，得到B料；

其中：粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠7重量份、多孔碳黑37重量份、聚合物55重量份、分散剂1重量份；

（4）将步骤（1）得到的粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠、石墨、石墨烯、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1600r/min的转速混合分散14min，得到C料；

其中：粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠7重量份、石墨22重量份、石墨烯17重量份、聚合物52重量份、分散剂1重量份；

步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）中聚合物为聚四氟乙烯、分散剂为聚乙烯蜡；

（5）将步骤（2）得到的A料、步骤（3）得到的B料、步骤（4）得到的C料按照质量比3：2：1分别加入三层共挤挤出机的下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机中，经共挤模头复合、微发泡、双向拉伸，得到由下到上依次为A-B-C的微发泡共挤膜；下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机均为双螺杆挤出机，螺杆直接均为40mm，长径比均为46；下层挤出机的螺杆转速为278r/min，中层挤出机的螺杆转速为10r/min，上层挤出机的螺杆转速为320 r/min；双向拉伸的纵向拉伸拉伸比为7，横向拉伸拉伸比为4；

（6）先将步骤（5）得到的微发泡共挤膜浸入清水中26min溶解除脱微米级氯化钠颗粒，清洗、辊压平整、干燥、卷取，得到燃料电池梯度气体扩散层碳膜；梯度气体扩散层碳膜的平均厚度为0.2mm。

实施例2

（1）先将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机，在主轴转速为4100r/min下研磨28min，使发泡剂均匀裹覆于氯化钠颗粒表面，然后将制得的裹覆发泡剂的氯化钠经三级旋风分离器分为三个粒径等级：20~30μm、10~15μm、3~5μm，备用；

发泡剂为偶氮胺基苯；其中：氯化钠100重量份、发泡剂2重量份；

（2）将步骤（1）得到的粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠、碳纤维、聚合物、木质纤维、分散剂加入高速混合机，以1200r/min的转速混合分散18min，得到A料；

其中：粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠6重量份、碳纤维31重量份、聚合物56重量份、木质纤维6重量份、分散剂1重量份；

（3）将步骤（1）得到的粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠、多孔碳黑、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1200r/min的转速混合分散18min，得到B料；

其中：粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠6重量份、多孔碳黑37重量份、聚合物56重量份、分散剂1重量份；

（4）将步骤（1）得到的粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠、石墨、石墨烯、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1200r/min的转速混合分散18min，得到C料；

其中：粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠6重量份、石墨21重量份、石墨烯17重量份、聚合物55重量份、分散剂1重量份；

步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）中聚合物为聚砜、分散剂为硬脂酸；

（5）将步骤（2）得到的A料、步骤（3）得到的B料、步骤（4）得到的C料按照质量比3：2：1分别加入三层共挤挤出机的下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机中，经共挤模头复合、微发泡、双向拉伸，得到由下到上依次为A-B-C的微发泡共挤膜；下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机均为双螺杆挤出机，螺杆直接均为35mm，长径比均为42；下层挤出机的螺杆转速为275r/min，中层挤出机的螺杆转速为305r/min，上层挤出机的螺杆转速为315 r/min；双向拉伸的纵向拉伸拉伸比为6.5，横向拉伸拉伸比为3.5；

（6）先将步骤（5）得到的微发泡共挤膜浸入清水中22min溶解除脱微米级氯化钠颗粒，清洗、辊压平整、干燥、卷取，得到燃料电池梯度气体扩散层碳膜；梯度气体扩散层碳膜的平均厚度为0.15mm。

实施例3

（1）先将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机，在主轴转速为4000r/min下研磨30min，使发泡剂均匀裹覆于氯化钠颗粒表面，然后将制得的裹覆发泡剂的氯化钠经三级旋风分离器分为三个粒径等级：20~30μm、10~15μm、3~5μm，备用；

发泡剂为偶氮异丁腈；其中：氯化钠100重量份、发泡剂2重量份；

（2）将步骤（1）得到的粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠、碳纤维、聚合物、木质纤维、分散剂加入高速混合机，以1000r/min的转速混合分散20min，得到A料；

其中：粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠5重量份、碳纤维30重量份、聚合物59重量份、木质纤维5重量份、分散剂1重量份；

（3）将步骤（1）得到的粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠、多孔碳黑、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1000r/min的转速混合分散20min，得到B料；

其中：粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠5重量份、多孔碳黑35重量份、聚合物59重量份、分散剂1重量份；

（4）将步骤（1）得到的粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠、石墨、石墨烯、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1000r/min的转速混合分散20min，得到C料；

其中：粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠5重量份、石墨20重量份、石墨烯15重量份、聚合物59重量份、分散剂1重量份；

步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）中聚合物为聚醚醚酮、分散剂为聚乙烯蜡；

（5）将步骤（2）得到的A料、步骤（3）得到的B料、步骤（4）得到的C料按照质量比3：2：1分别加入三层共挤挤出机的下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机中，经共挤模头复合、微发泡、双向拉伸，得到由下到上依次为A-B-C的微发泡共挤膜；下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机均为双螺杆挤出机，螺杆直接均为30mm，长径比均为40；下层挤出机的螺杆转速为270r/min，中层挤出机的螺杆转速为300r/min，上层挤出机的螺杆转速为310 r/min；双向拉伸的纵向拉伸拉伸比为6，横向拉伸拉伸比为3；

（6）先将步骤（5）得到的微发泡共挤膜浸入清水中20min溶解除脱微米级氯化钠颗粒，清洗、辊压平整、干燥、卷取，得到燃料电池梯度气体扩散层碳膜；梯度气体扩散层碳膜的平均厚度为0.1mm。

实施例4

（1）先将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机，在主轴转速为4400r/min下研磨22min，使发泡剂均匀裹覆于氯化钠颗粒表面，然后将制得的裹覆发泡剂的氯化钠经三级旋风分离器分为三个粒径等级：20~30μm、10~15μm、3~5μm，备用；

发泡剂为苯磺酰肼；其中：氯化钠100重量份、发泡剂2重量份；

（2）将步骤（1）得到的粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠、碳纤维、聚合物、木质纤维、分散剂加入高速混合机，以1800r/min的转速混合分散12min，得到A料；

其中：粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠7重量份、碳纤维34重量份、聚合物49重量份、木质纤维8重量份、分散剂2重量份；

（3）将步骤（1）得到的粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠、多孔碳黑、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1800r/min的转速混合分散12min，得到B料；

其中：粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠7重量份、多孔碳黑39重量份、聚合物52重量份、分散剂2重量份；

（4）将步骤（1）得到的粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠、石墨、石墨烯、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1800r/min的转速混合分散12min，得到C料；

其中：粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠7重量份、石墨24重量份、石墨烯18重量份、聚合物49重量份、分散剂2重量份；

步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）中聚合物为超高分子量聚乙烯、分散剂为硬脂酸；

（5）将步骤（2）得到的A料、步骤（3）得到的B料、步骤（4）得到的C料按照质量比3：2：1分别加入三层共挤挤出机的下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机中，经共挤模头复合、微发泡、双向拉伸，得到由下到上依次为A-B-C的微发泡共挤膜；下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机均为双螺杆挤出机，螺杆直接均为45mm，长径比均为48；下层挤出机的螺杆转速为285r/min，中层挤出机的螺杆转速为315r/min，上层挤出机的螺杆转速为325 r/min；双向拉伸的纵向拉伸拉伸比为7.5，横向拉伸拉伸比为4.5；

（6）先将步骤（5）得到的微发泡共挤膜浸入清水中28min溶解除脱微米级氯化钠颗粒，清洗、辊压平整、干燥、卷取，得到燃料电池梯度气体扩散层碳膜；梯度气体扩散层碳膜的平均厚度为0.25mm。

实施例5

（1）先将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机，在主轴转速为4500r/min下研磨20min，使发泡剂均匀裹覆于氯化钠颗粒表面，然后将制得的裹覆发泡剂的氯化钠经三级旋风分离器分为三个粒径等级：20~30μm、10~15μm、3~5μm，备用；

发泡剂为对甲苯磺酰肼；其中：氯化钠100重量份、发泡剂2重量份；

（2）将步骤（1）得到的粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠、碳纤维、聚合物、木质纤维、分散剂加入高速混合机，以2000r/min的转速混合分散10min，得到A料；

其中：粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠8重量份、碳纤维35重量份、聚合物45重量份、木质纤维10重量份、分散剂2重量份；

（3）将步骤（1）得到的粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠、多孔碳黑、聚合物、分散剂加入高速混合机，以2000r/min的转速混合分散10min，得到B料；

其中：粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠8重量份、多孔碳黑40重量份、聚合物50重量份、分散剂2重量份；

（4）将步骤（1）得到的粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠、石墨、石墨烯、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1000~2000r/min的转速混合分散10~20min，得到C料；

其中：粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠8重量份、石墨25重量份、石墨烯20重量份、聚合物45重量份、分散剂2重量份；

步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）中聚聚合物为聚四氟乙烯、分散剂为聚乙烯蜡；

（5）将步骤（2）得到的A料、步骤（3）得到的B料、步骤（4）得到的C料按照质量比3：2：1分别加入三层共挤挤出机的下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机中，经共挤模头复合、微发泡、双向拉伸，得到由下到上依次为A-B-C的微发泡共挤膜；下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机均为双螺杆挤出机，螺杆直接均为50mm，长径比均为50；下层挤出机的螺杆转速为290r/min，中层挤出机的螺杆转速为320r/min，上层挤出机的螺杆转速为330 r/min；双向拉伸的纵向拉伸拉伸比为8，横向拉伸拉伸比为5；

（6）先将步骤（5）得到的微发泡共挤膜浸入清水中30min溶解除脱微米级氯化钠颗粒，清洗、辊压平整、干燥、卷取，得到燃料电池梯度气体扩散层碳膜；梯度气体扩散层碳膜的平均厚度为0.3mm。

实施例6

（1）先将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机，在主轴转速为4200r/min下研磨25min，使发泡剂均匀裹覆于氯化钠颗粒表面，然后将制得的裹覆发泡剂的氯化钠经三级旋风分离器分为三个粒径等级：20~30μm、10~15μm、3~5μm，备用；

发泡剂为偶氮二甲酰胺；其中：氯化钠100重量份、发泡剂2重量份；

（2）将步骤（1）得到的粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠、碳纤维、聚合物、木质纤维、分散剂加入高速混合机，以1500r/min的转速混合分散15min，得到A料；

其中：粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠6重量份、碳纤维32重量份、聚合物52重量份、木质纤维8重量份、分散剂2重量份；

（3）将步骤（1）得到的粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠、多孔碳黑、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1500r/min的转速混合分散15min，得到B料；

其中：粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠6重量份、多孔碳黑38重量份、聚合物54重量份、分散剂2重量份；

（4）将步骤（1）得到的粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠、石墨、石墨烯、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1500r/min的转速混合分散15min，得到C料；

其中：粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠6重量份、石墨22重量份、石墨烯18重量份、聚合物52重量份、分散剂2重量份；

步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）中聚聚合物为聚砜、分散剂为硬脂酸；

（5）将步骤（2）得到的A料、步骤（3）得到的B料、步骤（4）得到的C料按照质量比3：2：1分别加入三层共挤挤出机的下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机中，经共挤模头复合、微发泡、双向拉伸，得到由下到上依次为A-B-C的微发泡共挤膜；下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机均为双螺杆挤出机，螺杆直接均为40mm，长径比均为45；下层挤出机的螺杆转速为280r/min，中层挤出机的螺杆转速为310r/min，上层挤出机的螺杆转速为320 r/min；双向拉伸的纵向拉伸拉伸比为7，横向拉伸拉伸比为4；

（6）先将步骤（5）得到的微发泡共挤膜浸入清水中25min溶解除脱微米级氯化钠颗粒，清洗、辊压平整、干燥、卷取，得到燃料电池梯度气体扩散层碳膜；梯度气体扩散层碳膜的平均厚度为0.2mm。

对比例1

将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机，在主轴转速为4200r/min下研磨25min，未使用发泡剂裹覆氯化钠。其余步骤采用同实施例6一样的工艺。

对比例2

将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机，在主轴转速为4200r/min下研磨25min，使发泡剂均匀裹覆于氯化钠颗粒表面，然后将制得的裹覆发泡剂的氯化钠经二级旋风分离器分选出2个粒径等级：10~15μm、3~5μm，备用；其余步骤采用同实施例6一样的工艺。

性能测试：分别取本发明实施例1~6、对比例1~2的燃料电池气体扩散层；

孔隙率：采用压汞法测试计算实验样品的孔隙率。

透气性：参考GB/T 1038-2000 《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法 压差法》测试透气性。

疏水性能测试：在室温25℃、湿度为35%条件下，采用无柄水滴法进行测试实验样品的疏水性，利用水接触角测量仪测得试样的接触角。如表1。

表1：

Claims (9)

1.一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，其特征在于，制备的具体过程为：

（1）先将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机，在主轴转速为4000~4500r/min下研磨20~30min，使发泡剂均匀裹覆于氯化钠颗粒表面，然后将制得的裹覆发泡剂的氯化钠经三级旋风分离器分为三个粒径等级：20~30μm、10~15μm、3~5μm，备用；

（2）将步骤（1）得到的粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠、碳纤维、聚合物、木质纤维、分散剂加入高速混合机，以1000~2000r/min的转速混合分散10~20min，得到A料；

（3）将步骤（1）得到的粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠、多孔碳黑、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1000~2000r/min的转速混合分散10~20min，得到B料；

（4）将步骤（1）得到的粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠、石墨、石墨烯、聚合物、分散剂加入高速混合机，以1000~2000r/min的转速混合分散10~20min，得到C料；

（5）将步骤（2）得到的A料、步骤（3）得到的B料、步骤（4）得到的C料按照质量比3：2：1分别加入三层共挤挤出机的下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机中，经共挤模头复合、微发泡、双向拉伸，得到由下到上依次为A-B-C的微发泡共挤膜；

（6）先将步骤（5）得到的微发泡共挤膜浸入清水中20~30min溶解除脱微米级氯化钠颗粒，清洗、辊压平整、干燥、卷取，得到燃料电池梯度气体扩散层碳膜。

2.根据权利要求1所述一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，其特征在于：所述发泡剂为偶氮二甲酰胺、偶氮胺基苯、偶氮异丁腈、苯磺酰肼、对甲苯磺酰肼中的至少一种。

3.根据权利要求1所述一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，其特征在于：所述聚合物为聚四氟乙烯、聚砜、聚醚醚酮、超高分子量聚乙烯中的至少一种。

4.根据权利要求1所述一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，其特征在于：所述分散剂为聚乙烯蜡、硬脂酸中的至少一种。

5.根据权利要求1所述一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，其特征在于：步骤（1）中，按重量份计，其中：氯化钠100份、发泡剂2份。

6.根据权利要求1所述一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，其特征在于：步骤（2）中，按重量份计，其中：粒径为20~30μm的裹覆发泡剂的氯化钠5~8份、碳纤维30~35份、聚合物45~59份、木质纤维5~10份、分散剂1~2份。

7.根据权利要求1所述一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，其特征在于：步骤（3）中，按重量份计，其中：粒径为10~15μm的裹覆发泡剂的氯化钠5~8份、多孔碳黑35~40份、聚合物50~59份、分散剂1~2份。

8.根据权利要求1所述一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，其特征在于：步骤（4）中，按重量份计，其中：粒径为3~5μm的裹覆发泡剂的氯化钠5~8份、石墨20~25份、石墨烯15~20份、聚合物45~59份、分散剂1~2份。

9.根据权利要求1所述一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，其特征在于：步骤（5）所述下层挤出机、中层挤出机、上层挤出机均为双螺杆挤出机，螺杆直接均为30~50mm，长径比均为40~50；下层挤出机的螺杆转速为270~290r/min，中层挤出机的螺杆转速为300~320r/min，上层挤出机的螺杆转速为310~330 r/min；双向拉伸的纵向拉伸拉伸比为6~8，横向拉伸拉伸比为3~5。