CN111244476A - 一种燃料电池用碳纸的亲水处理方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃料电池用碳纸的亲水处理方法，包括如下步骤：将碳纸浸入钛酸丁酯或者硅酸乙酯的醇溶液中，在一定真空度下浸渍一定时间后取出。然后将浸有钛酸丁酯或硅酸乙酯醇溶液的碳纸浸泡在去离子水中进行水解，水解完成后取出碳纸，并用去离子水冲洗碳纸表面残留的水解产物。将清洗好的碳纸放入烘箱中烘干，即得到所需的亲水碳纸。

Description

一种燃料电池用碳纸的亲水处理方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种燃料电池用碳纸的亲水处理方法，属于燃料电池领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池具有清洁、高效、功率密度高以及低温快速启动等优点，在电动汽车发动机、便携式电源和分布式发电等领域有着广泛的应用。质子交换膜燃料电池的关键部件包括双极板和膜电极。按双极板材料的不同，双极板有石墨板、金属板和复合板等，其中复合板中既有金属又有非金属，可设计性很强，针对专门的功能可进行特殊结构设计。膜电极中的一个重要材料是气体扩散层，其成分通常为碳纸或碳布。气体扩散成需要将燃料电池生成水及时排出，同时及时补充反应气给催化层，因此其亲憎水性是很重要的一个指标。在空冷型燃料电池中，流经电池阴极的空气气量往往很大，会带走大量的水分，因此需要对阴极进行保湿，或者采用对液体水依赖程度低的离子交换膜和离子交换树脂。
在一类特殊的双极板中，极板结构里含有柔性材料，该柔性材料需要直接接触液态水，并且在该柔性材料两侧存在压差时，不能产生明显的形变。因此需要对该柔性材料进行支撑。支撑材料可采用多孔金属网，或者用具有一定刚性的泡沫材料等，也可以采用碳纸。碳纸主要的优势是质量轻，易裁剪，但是目前的碳纸亲水性均不足，燃料电池中所用的碳纸也多为憎水性碳纸。
在空冷型燃料电池中，大量的空气流经阴极从而带走大量水分，特别是当温度升高、空气湿度降低时。阴极扩散层具有较强的亲水性，可以一定程度保水，由于阴极气量大，气体向催化层的供应是容易满足的，因此对阴极的透气性要求降低。同样的，目前的碳纸亲水性不足，燃料电池所用的碳纸也多为憎水性碳纸。
发明内容
基于以上背景技术，本发明一方面提供一种燃料电池用碳纸的亲水处理方法，具体包括如下步骤：
(1)将碳纸浸入钛酸丁酯或者硅酸乙酯的醇溶液中，在0～-0.1MPa真空度下浸泡1～300分钟；
(2)取出步骤(1)中的碳纸，在0～-0.1MPa真空度下将其浸泡在5～95℃去离子水中或0.01-10mol/L酸或碱中水解1～300分钟；
(3)取出步骤(2)中水解后的碳纸，并用去离子水冲洗碳纸表面残留的水解产物；
(4)将步骤(3)中冲洗干净的碳纸放入烘箱中烘干，即得到所述的亲水碳纸。
基于以上技术方案，优选的，所述步骤(1)所述钛酸丁酯或硅酸乙酯的醇溶液包含1～99重量份钛酸丁酯或硅酸乙酯以及1～99重量份的无水乙醇或无水丙醇或无水丁醇。
基于以上技术方案，优选的，步骤(1)所述真空度为0～-0.1MPa，浸泡时间为1～300分钟。
基于以上技术方案，优选的，步骤(2)所述真空度为0～-0.1MPa，所述温度为5～95℃，水解时间为1～300分钟。
基于以上技术方案，优选的，步骤(3)所述冲洗过程的效果为碳纸表面没有粒径大于1mm的白色颗粒。
基于以上技术方案，优选的，步骤(4)所述烘干温度为40～160℃，烘干气氛为氮气或氩气或-0.01～-1.0MPa的真空环境。
本发明另一方面提供一种上述制备方法制备的燃料电池用亲水碳纸，所述的碳纸亲水处理后表面接触角小于10°；亲水处理后的碳纸在80℃去离子水中煮1000h，接触角依然小于10°；抗压强度优良。
本发明另一方面提供一种上述方法制备的亲水碳纸，所述亲水碳纸的表面接触角小于10°。
本发明再一方面提供一种上述亲水碳纸的应用，所述碳纸作为燃料电池复合双极板内部支撑材料，作为燃料电池复合双极板内部支撑材料使用时，在氧气腔和水腔压差在0.2MPa下时，复合双极板柔性表面不变形，该亲水处理碳纸作为空冷型燃料电池的膜电极的阴极气体扩散层时，燃料电池放电性能大幅提升。
有益效果
本发明通过采用钛或硅的氧化物对碳纸进行改性，可大幅提高碳纸的亲水性，制备过程绿色环保，易实现批量规模制备，所制亲水碳纸性能稳定；作为膜电极阴极扩散层时对提升空冷型燃料电池的性能有明显效果；作为复合双极板内部支撑材料时，双极板柔性表面在0.2MPa压差下不变形。
附图说明
图1为实施例1得到的碳纸与未处理碳纸的TEM图；
图2为实施例1得到的碳纸与未处理碳纸接的触角测试图。
图3为实施例1所制备碳纸的接触角稳定性曲线。
图4为实施例1制备的碳纸与未处理碳纸作为阴极扩散层的电池性能图。
具体实施方式
实施例1
取200ml烧杯A，加入50ml无水乙醇，再加入50ml钛酸丁酯，用玻璃棒搅拌均匀。另取一烧杯B，烧杯中倒入150ml温度为50℃的去离子水。取10×10cm2厚0.1mm的碳纸，将其浸泡在烧杯A的钛酸丁酯醇溶液中，将烧杯A放入真空烘箱中，常温下抽真空至-0.09MPa，静置60min。将浸渍有钛酸丁酯醇溶液的碳纸从烧杯A中取出后迅速浸泡在烧杯B的离子水中，并将烧杯B置于真空烘箱中，烘箱温度50℃，抽真空至-0.09MPa，静置45分钟。取出烧杯B中的碳纸，用200ml去离子水冲洗表面，之后将该碳纸放在充氮烘箱中烘2h，充氮烘箱温度为100℃，即得到所需亲水碳纸。
采用扫描电镜(SEM)观察所制备的碳纸的微观形貌，结果见图1。作为对比，图1也给出了未做亲水处理的碳纸的SEM图。TiO2进入了碳纤维的空隙中，并附着于碳纤维上。
采用微孔成像仪测试所制备碳纸的接触角，结果见图2。作为对比，也给出了未处理的碳纸的接触角照片。亲水处理后碳纸的接触角为0，而未处理的碳纸与水的接触角为118°。亲水处理的碳纸显著改善了亲润特性。
对亲水处理的碳纸接触角稳定性进行测量。将所制备的亲水碳纸浸泡在80℃的去离子水中，每隔一段时间将其取出，测量接触角，结果见图3。亲水处理的碳纸在1000h内，接触角均维持在0°，表明其亲水的稳定性良好。
采用该亲水碳纸作为双极板中柔性材料的支撑，在0.2MPa压差下，柔性材料无肉眼可见的变形。
采用亲水碳纸作为阴极扩散层时，空冷电池性能见图4。作为对比，也给出了采用未处理碳纸作为阴极扩散层时的空冷电池性能。
实施例2
取200ml烧杯A，加入50ml无水丙醇，再加入20ml硅酸乙酯，用玻璃棒搅拌均匀。另取一烧杯B，烧杯中倒入150ml温度为80℃的0.5M硫酸水溶液。取10×10cm2厚0.1mm的碳纸，将其浸泡在烧杯A的硅酸乙酯醇溶液中，将烧杯A放入真空烘箱中，常温下抽真空至-0.05MPa，静置30min。将浸渍有硅酸乙酯醇溶液的碳纸从烧杯A中取出后迅速浸泡在烧杯B的硫酸水溶液中，并将烧杯B置于真空烘箱中，烘箱温度80℃，抽真空至-0.05MPa，静置10分钟。取出烧杯B中的碳纸，用800ml去离子水冲洗表面，之后将该碳纸放在充氮烘箱中烘1h，充氮烘箱温度为45℃，即得到所需亲水碳纸。经测试，该亲水处理碳纸与水的接触角为2.5°。
实施例3
取200ml烧杯A，加入50ml无水丁醇，再加入40ml硅酸乙酯，用玻璃棒搅拌均匀。另取一烧杯B，烧杯中倒入150ml温度为60℃的1M KOH溶液。取10×10cm2厚0.1mm的碳纸，将其浸泡在烧杯A的硅酸乙酯醇溶液中，将烧杯A放入真空烘箱中，常温下抽真空至-0.05MPa，静置30min。将浸渍有硅酸乙酯醇溶液的碳纸从烧杯A中取出后迅速浸泡在烧杯B的氢氧化钾水溶液中，并将烧杯B置于真空烘箱中，烘箱温度60℃，抽真空至-0.05MPa，静置10分钟。取出烧杯B中的碳纸，用600ml去离子水冲洗表面，之后将该碳纸放在充氮烘箱中烘1h，充氮烘箱温度为150℃，即得到所需亲水碳纸。经测试，该亲水碳纸的接触角为0°。

Claims (8)

1.一种燃料电池用碳纸的亲水处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将碳纸浸入钛酸丁酯或者硅酸乙酯的醇溶液中，在0～-0.1MPa真空度下浸泡1～300分钟；
(2)取出步骤(1)中的碳纸，在0～-0.1MPa真空度下将其浸泡在5～95℃去离子水中或0.01-10mol/L酸或碱中水解1～300分钟；
(3)取出步骤(2)中水解后的碳纸，并用去离子水冲洗碳纸表面残留的水解产物；
(4)将步骤(3)中冲洗干净的碳纸放入烘箱中烘干，即得到所述的亲水碳纸。
2.根据权利要求1所述的碳纸亲水处理方法，其特征在于，步骤(1)所述钛酸丁酯或硅酸乙酯的醇溶液包含1～99重量份钛酸丁酯或硅酸乙酯以及1～99重量份的无水乙醇或无水丙醇或无水丁醇。
3.根据权利要求1所述的碳纸亲水处理方法，其特征在于，步骤(1)所述真空度为-0.1MPa，浸泡时间为30分钟。
4.根据权利要求1所述的碳纸亲水处理方法，其特征在于，步骤(2)所述温度为30℃，水解时间为30分钟。
5.根据权利要求1所述的碳纸亲水处理方法，其特征在于，步骤(3)所述冲洗为冲洗至碳纸表面没有粒径大于1mm的白色颗粒。
6.根据权利要求1所述的碳纸亲水处理方法，其特征在于，步骤(4)所述烘干温度为40～160℃。
7.一种权利要求1-6任意一项所述方法制备的亲水碳纸，其特征在于，所述亲水碳纸的表面接触角小于10°。
8.一种权利要求7所述的亲水碳纸的应用，其特征在于，所述碳纸作为燃料电池复合双极板内部支撑材料，或燃料电池阴极气体扩散层。
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