CN110311142A - 一种燃料电池气体扩散层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池气体扩散层及其制备方法，属于燃料电池技术领域，本发明的方法将碳黑粉末、去离子水及分散剂按照一定比例混合均匀，得到碳黑粉末分散体系；后将聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)乳液均匀加入碳黑粉末分散体系中，搅拌混合，后将碳纸或碳布放入得到的分散体系中浸渍，取出晾干，并放入干燥箱烘干，最后在150℃‑390℃下烧结，得到燃料电池气体扩散层。本发明制备得到的扩散层结构更加稳定，孔径分布更加均匀，降低成本，同时具有良好的透气性、排水性和导电性，适合燃料电池的规模化生产，降低燃料电池的成本。

Description

一种燃料电池气体扩散层及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池气体扩散层及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种燃料电池。质子交换膜电池中PEMFC电极是一种多孔的气体扩散电极，一般由催化层和扩散层组成。扩散层首先起着支撑催化层的作用。反应气需要经过扩散层达到催化层参与反应，因此扩散层应该有利于传质。扩散层还应该是电和热的良导体。因此气体扩散层的制备方法至关重要。
现有技术方法制备出的气体扩散层结构不稳定,孔径分布不够均匀,成本高,透气性、排水性和导电性性能也不稳定,不适合适合燃料电池的规模化生产，降低燃料电池的成本。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种燃料电池气体扩散层的制备方法，制备得到的扩散层结构更加稳定，孔径分布更加均匀，降低成本，同时具有良好的透气性、排水性和导电性，适合燃料电池的规模化生产，降低燃料电池的成本。
本发明通过如下技术方案实现：
一种燃料电池气体扩散层的制备方法，具体步骤如下：
(1)、将碳黑粉末、去离子水及分散剂按照以下比例混合均匀，分散剂的量占碳黑质量百分比的4-33％，碳黑粉末的量为整个体系质量百分比的3-23％；得到碳黑粉末分散体系；
(2)、将质量百分比为10-60％的聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)乳液均匀加入步骤(1)得到的碳黑粉末分散体系中，采用超声波或机械搅拌混合0.6-3.1h；其中，所述PTFE或PVDF乳液的含量为碳黑粉末质量的10-50％；
(3)、将碳纸或碳布放入步骤(2)得到的分散体系中浸渍1-16min，取出晾干，并放入干燥箱在50-150℃烘干10-60min，得到载有碳黑和PTFE/PVDF的碳纸或碳布；
(4)、将步骤(3)得到的碳纸或碳布在150℃-390℃下烧结30-60min，得到燃料电池气体扩散层。
进一步地，步骤(1)所述的碳黑粉末为乙炔黑或活性炭黑，颗粒大小为100-1100nm；分散剂为AEO-9、Tween-60或TritonX-100。
进一步地，步骤(3)所述的浸渍次数为1-5次，每次浸渍后将碳纸或碳布在50-150℃烘干10-60min。
进一步地，步骤(4)所述的烧结采用烘箱或者管式炉。
进一步地，步骤(4)得到的燃料电池气体扩散层的孔径为0.5-10μm，接触角为115-160度。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明燃料电池气体扩散层的制备方法，制备得到的扩散层结构更加稳定，孔径分布更加均匀，降低成本，同时具有良好的透气性、排水性和导电性，适合燃料电池的规模化生产，降低燃料电池的成本。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种燃料电池气体扩散层的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例2的一种燃料电池气体扩散层的制备方法的流程图
具体实施方式
下面结合附图对实施例做进一步地说明。
实施例1
碳黑粉末采用乙炔黑，分散剂采用AEO-9，加上去离子水，按照一定比例混合均匀，分散剂的量占碳黑质量百分比的20％。混合方法包括超声波；确保碳黑的颗粒为100-1100nm。碳黑粉末的量为整个体系质量百分比的15％。
将PTFE乳液均匀加入上述所述的碳黑粉末分散体系中，并继续混合3.0小时；体系中PTFE的含量为碳黑质量百分比的10％；将碳纸放入上述的分散体系中浸渍16min，取出晾干，并放入干燥箱在50-150℃烘干50min，得到载有碳黑和PTFE的碳纸。将上述的碳纸在390℃烧结45min；烧结方式采用烘箱。
一种燃料电池气体扩散层的制备方法，具体步骤如下：
用200ml烧杯称取25g碳黑粉末，向其中加入一定浓度的分散剂AEO-9、，用玻璃棒将粉末搅拌成面团状。在2500ml烧杯中，加入350ml浓度为6％的分散剂，再加入一定量的去离子水。用搅拌机搅拌溶液，每隔3min将面团状的碳黑分10次加入上述烧杯中，全部加入后，继续搅拌30min。将分散液分别装入两个不锈钢杯(14cm)，放入超声波分散器，确保水槽中的水没入不锈钢杯一般的高度，超声搅拌1h。在上述浆料中逐步加入PTFE(10-60ml，60％)和去离子水混合液，并继续搅拌0.5h。将分散好的碳黑粉末放入特制容器中，保证容器中浆料液面高度2cm以上。将碳纸裁成200×200mm大小，平放入浆料浸渍5min，取出，在滤纸上倒置0.5min，然后平置放在不锈钢架上，并放入干燥箱在100℃烘干(约5min)。再将碳纸放入浆料浸渍5min，取出，在滤纸上正置0.5min，然后平置放在不锈钢架上，并放入干燥箱在105℃烘干(约5min)。再将碳纸放入浆料浸渍1min，取出，在滤纸上倒置0.5min，然后平置放在不锈钢架上，并放入干燥箱在150℃烘干(约5min)。碳纸放入浆料浸渍20min，烘干之后附载量为1-10mg/cm2。保证每次平置烘干时将一面朝上，催化剂将接近在这一面。最后，将碳纸放入烘箱，在300℃烧结30min。最后碳黑附载量为0.5-3mg/cm2，孔径为0.5-10μm,接触角为115-160度。
实施例2
碳黑粉末采用活性炭黑，碳黑粉末均匀分散于去离子水中(质量百分比为23％)，并在体系中加入一定量的分散剂Tween-60，分散剂的量占碳黑质量百分比的10％，得到均匀分布的浆料。再上述浆料中，加入PVDF乳液，体系中PVDF的含量为碳黑质量百分比的25％，并继续搅拌2.5h，将碳布放入上述的浆料中浸渍16min，取出晾干，并放入干燥箱在150℃烘干60min，得到载有碳黑和PVDF的碳布。
再将碳布放入上述的浆料中，重复上述步骤。并最终得到碳黑载量为0.5-3mg/cm2的碳布，将上述的碳布在350℃烧结60min。
一种燃料电池气体扩散层的制备方法，具体步骤如下：
用200ml烧杯称取40g碳黑粉末，向其中加入一定浓度的分散剂Tween-60，用玻璃棒将粉末搅拌成面团状。在2500ml烧杯中，加入500ml浓度为10％的分散剂，再加入一定量的去离子水。用搅拌机搅拌溶液，每隔3min将面团装的碳黑分10次加入上述烧杯中，全部加入后，继续搅拌30min。将分散液分别装入两个不锈钢杯(14cm)，放入超声波分散器，确保水槽中的水没入不锈钢杯一般的高度，超声搅拌1h。将碳布裁成200×200mm大小，平放入浆料浸渍8min，取出，在滤纸上倒置0.5min，然后平置放在不锈钢架上，并放入干燥箱在150℃烘干(约5min)。再将碳纸或碳布放入浆料浸渍8min，取出，在滤纸上正置0.5min，然后平置放在不锈钢架上，并放入干燥箱在105℃烘干(约5min)。再将碳布放入浆料浸渍1min，取出，在滤纸上倒置0.5min，然后平置放在不锈钢架上，并放入干燥箱在150℃烘干(约5min)。碳布放入浆料浸渍15min，烘干之后附载量为1-10mg/cm2。保证每次平置烘干时将一面朝上，催化剂将接近在这一面。将此碳纸或碳布用10-30wt％的PVDF溶液浸渍1-11min，取出后放入去离子水中数分钟最后，然后放入烘箱，在250℃烧结60min。最后碳黑附载量为0.5-3mg/cm2，孔径为0.5-10μ，接触角为115-160度。

Claims (6)

1.一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、将碳黑粉末、去离子水及分散剂按照以下比例混合均匀，分散剂的量占碳黑质量百分比的4-33％，碳黑粉末的量为整个体系质量百分比的3-23％；得到碳黑粉末分散体系；
(2)、将质量百分比为10-60％的聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)乳液均匀加入步骤(1)得到的碳黑粉末分散体系中，采用超声波或机械搅拌混合0.6-3.1h；其中，所述PTFE或PVDF乳液的含量为碳黑粉末质量的10-50％；
(3)、将碳纸或碳布放入步骤(2)得到的分散体系中浸渍1-16min，取出晾干，并放入干燥箱在50-150℃烘干10-60min，得到载有碳黑和PTFE/PVDF的碳纸或碳布；
(4)、将步骤(3)得到的碳纸或碳布在150℃-390℃下烧结30-60min，得到燃料电池气体扩散层。
2.如权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的碳黑粉末为乙炔黑或活性炭黑，颗粒大小为100-1100nm；分散剂为AEO-9、Tween-60或TritonX-100。
3.如权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的浸渍次数为1-5次，每次浸渍后将碳纸或碳布在50-150℃烘干10-60min。
4.如权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的烧结采用烘箱或者管式炉。
5.如权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，步骤(4)得到的燃料电池气体扩散层的孔径为0.5-10μm，接触角为115-160度。
6.一种燃料电池气体扩散层，其特征在于，由权利要求1-5任一一项制备得到。
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