CN112563516B - 一种环保燃料电池气体扩散层及其制备方法 - Google Patents

一种环保燃料电池气体扩散层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种环保燃料电池气体扩散层及其制备方法，涉及燃料电池领域；所述燃料电池气体扩散层包括溶剂、气体扩散层浆料；气体扩散层浆料包括碳材料、功能材料、聚四氟乙烯疏水树脂分散液、水溶性聚合物类分散剂及增稠剂、表面活性剂。制备方法包括如下步骤：A、将气体扩散层浆料充分分散到溶剂中；B、将气体扩散层浆料涂覆在基底支撑层上得到微孔层涂层；C、进行两段式焙烧热处理。本发明提供的方法在制备过程中能够减弱甚至杜绝有机溶剂带来的环境污染问题，有非常广阔的应用前景。

Description

一种环保燃料电池气体扩散层及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种环保燃料电池气体扩散层及其制备方法。
背景技术
燃料电池则是一种利用效率高且环境友好的能源，是将燃料中的化学能直接转化为电能，不需要像传统热机那样有很多转化过程，因为没有了热力学卡诺循环理论的限制，燃料电池的能量转化效率可达40％～60％，而且几乎没有氮氧化物、硫氧化物等污染物排放。由此，燃料电池技术被世界所重视，是21世纪最重要的能源技术。
质子交换膜燃料电池的电堆一般由端板、流场板、密封圈、气体扩散层、催化层、质子交换膜等组成。其中气体扩散层的位置处于膜电极和流场板之间，主要起到支撑膜电极和提供气体通道和排水通道的作用。质子交换膜燃料电池工作时，在电池的阴极处质子和氧气会反应生成水，水会通过催化层流向气体扩散层，因此气体扩散层需要具备一定的疏水性，促进反应生成的水能够排出电池内部，防止水在扩散层中堆积、堵塞，从而影响膜电极的正常工作。
气体扩散层一般由碳纤维纸或者碳纤维毡及其上的微孔层组成，微孔层本身具有微孔结构，能够帮助电池内部的气体和水快速地传输。研究表明，碳载量的大小、疏水剂PTFE的含量、不同的孔径大小和分布对于微孔层的性能起主要作用。通常情况下，微孔层是由含碳浆料覆盖在碳纤维纸或者碳纤维毡上，经过加热烧结后所形成的。含碳浆料主要成分是导电碳黑、疏水剂聚四氟乙烯(PTFE)乳液、有机溶剂、去离子水等。常见微孔层中的碳有XC-72碳黑、乙炔黑、碳纳米管等，所使用的有机溶剂一般有乙醇，乙二醇，异丙醇，正丙醇等。而在配制含碳浆料时，这些溶剂挥发出的蒸汽不仅会危害到操作人员的健康，而且后期烘干和烧结过程中溢出的蒸汽也会对环境和人类身体健康造成不利影响。随着环保政策的日益强化，这些有机溶剂的蒸汽必须做减排处理，一方面不仅需要额外添置环保设备，导致生产成本增加，另一方面，即使采用了环保减排设备，由于设备的处理效率问题，多多少少都有部分蒸汽被排到空气中，也会造成环境污染。为此，有必要开发新型环保的气体扩散层制备方法，减弱甚至杜绝有机溶剂带来的环境污染问题。
发明内容
有鉴于此，针对现有燃料电池用气体扩散层制备工艺中的有机溶剂污染问题，本发明的目的一在于提供一种环保燃料电池气体扩散层，本发明的目的二在于提供一种环保燃料电池气体扩散层的制备方法。
本发明的目的一是通过以下技术方案实现的：一种环保燃料电池气体扩散层，包括溶剂、气体扩散层浆料；所述溶剂包括水，所述气体扩散层浆料包括碳材料、功能材料、聚四氟乙烯疏水树脂分散液、水溶性聚合物类分散剂及增稠剂、表面活性剂；
所述碳材料的添加量为气体扩散层浆料总体的2.0wt.％-10.0wt.％，所述功能材料的添加量为碳材料的0wt.％-2.0wt.％，所述聚四氟乙烯疏水树脂分散液的添加量为碳材料的18wt.％-150wt.％(若聚四氟乙烯疏水树脂含量过高，则导致对碳材料的包覆过度，将阻塞气体扩散层中的气体传输；若聚四氟乙烯疏水树脂含量过低，则树脂对碳材料包裹不足，无法达到所需的疏水效果)，所述水溶性聚合物类分散剂及增稠剂的添加量为气体扩散层浆料总体的5wt.％-30wt.％，所述表面活性剂添加量为碳材料的5wt.％-40wt.％。
优选的，所述碳材料包括碳粉，所述碳粉具体包括碳黑、碳纤维、活性碳、碳纳米管、石墨、氧化石墨、还原氧化石墨、石墨烯、富勒烯中的一种或几种。
优选的，所述功能材料包括碳化钛、氮化钛、氧化铈、氧化锆、氧化钇以及碳化钨粉末中的一种或多种。
优选的，所述水溶性聚合物类分散剂及增稠剂包括水溶性聚合物、水溶性聚合物的衍生物、水溶性聚合物的改性产品中的一种或者多种；
所述水溶性聚合物包括水可溶型淀粉、海藻酸钠，琼胶、阿拉伯胶、黄蓍胶、瓜尔胶、卡拉胶、果胶、卡拉胶、明胶、干酪素、壳聚糖、黄原胶、结冷胶、透明质酸、羧甲基纤维素钠，羟丙基甲基纤维素，羟乙基纤维素，羟丙基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚马来酸酐、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸及其共聚物、聚丙烯酰胺、聚乙烯胺中的一种或者多种。
优选的，为了增强分散效果，所述表面活性剂包括有机胺类阳离子或非离子表面活性剂。例如曲拉通TX-100。
本发明还提供了一种环保燃料电池气体扩散层的制备方法，包括如下步骤：
A、将碳材料、功能材料、水溶性聚合物类分散剂及增稠剂、聚四氟乙烯疏水树脂分散液、表面活性剂分散于溶剂中得到气体扩散层浆料，所述分散包括高速搅拌分散、高速剪切分散、超声波分散、机械球磨分散、高压均质分散中的一种或多种；
B、将气体扩散层浆料涂覆在基底支撑层上得到微孔层涂层，所述基底支撑层包括碳纸或碳毡，涂覆过程包括刮涂法，丝网印刷法，高压气体喷涂法，超声波喷涂法，转移涂布法，挤压涂布法，流延法中的一种或多种；较低粘度的浆料适合喷涂的涂覆方式，较高粘度的浆料可用丝网印刷的涂覆方式；
C、进行两段式焙烧热处理。
优选的，所述步骤A具体包括：
a、取碳材料和/或部分功能材料，将碳材料加入溶剂中，加入表面活性剂和水溶性聚合物类分散剂及增稠剂，进行分散，得到预分散液；
b、向上述预分散液中加入聚四氟乙烯疏水树脂分散液，再次进行分散使碳材料与聚四氟乙烯疏水树脂分散液混合均匀得到预混合浆料，所述聚四氟乙烯疏水树脂分散液的添加量为碳材料的18wt.％-150wt.％；
c、向上述预混合浆料中加入水溶性聚合物类分散剂及增稠剂，进行二次分散，所述二次分散包括先进行高速搅拌分散，再进行高速剪切分散得到碳浆，此过程使碳材料得到充分分散，并与憎水剂充分均匀混合为具有均一性的碳浆。然后过滤处理，控制颗粒物直径在1um之下，得到气体扩散层浆料；所述水溶性聚合物类分散剂及增稠剂包括纤维素水溶液。
优选的，所述微孔层涂层包括至少一组气体扩散层浆料涂覆的基底支撑层，所述微孔层涂层的最终的碳载量为0.5-4.0mg/cm2。碳载量低于0.5mg/cm2时，微孔层太薄，对气体扩散层排水能力的提升影响有限，碳载量高于4.0mg/cm2时，微孔层太厚，限制了气体扩散层输气的能力。
优选的，所述步骤C具体包括如下步骤：先在240-260℃的温度下焙烧5-30min，以去除聚四氟乙烯树脂分散液中的分散剂，然后提升温度至340-360℃加热0.5-1h，使得聚四氟乙烯熔融包覆在碳颗粒表面，达到疏水化的目的，随后，然后提升温度至340-360℃加热0.5-1h，降至室温后取出。焙烧处理使憎水剂PTFE烧结生成憎水网络，得到憎水通道，使反应生成水能够有效排出。
本发明以憎水化处理的碳纸或碳毡作为基底支撑层，加以微孔层涂层构成。其中微孔层涂层可以根据需要设计为材料或结构均一的单层涂层，或可由多层材料或结构均一的单层涂层叠加构成。微孔层涂层由碳材料、功能材料、聚四氟乙烯疏水树脂分散液，水溶性聚合物类分散剂及增稠剂，有机胺类阳离子或者非离子表面活性剂，以纯水作为单一溶剂混合加工成均匀浆料后涂覆而成。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明公开了一种环保燃料电池气体扩散层及其制备方法，在制备过程中能够减弱甚至杜绝有机溶剂带来的环境污染问题；
(2)本发明采用的气体扩散层浆料中添加了功能材料，其作用是吸收电池运行过程中产生的对质子交换膜有破坏作用的自由基，从而延长膜电极的运行寿命；而添加的水溶性聚合物类分散剂及增稠剂的作用是调节浆料整体的粘稠度，利于涂敷过程的实现。相比现有的含碳浆料，本发明的气体扩散浆料不含传统浆料中添加的有机类溶剂，具有绿色无污染的特点，且通过水溶性聚合物类分散剂及增稠剂，对浆料黏度的可调范围增大，使得这款浆料可适用于喷涂、丝网印刷、刮涂等多种涂敷方式，使适用范围广。
具体实施方式
以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开，下面结合具体实施例对本发明进行详细说明：
一、评价标准及方法
1.单电池性能测试
针对不同的碳纸匹配载量相同的膜电极、极板，测试特定温度、湿度下电池的输出性能，判定气体扩散层的性能。
二、实施例1-3，对比例1-2
实施例1
一种环保燃料电池气体扩散层制备方法，取2g碳粉(乙炔黑)，混入0.04g表面活性剂(曲拉通TX-100)，加入纯水25g，进行高速搅拌搅拌得到预混合的分散液；
向上述分散液中加入1.5g质量分数为60wt％的PTFE乳液(即聚四氟乙烯疏水树脂分散液)，再次进行高速搅拌搅拌；
向上述混合浆料中加入10g质量分数为2％的水溶性聚合物类分散液的添加量及增稠剂(HPMC-400水溶液)，先进行高速搅拌搅拌分散；之后进行高速剪切分散；
将上述碳浆采用喷涂的方式均匀喷涂于经过憎水化处理的碳纸上，最终涂层中的碳载量为2.0mg/cm2；
将上述喷涂处理后的气体扩散层置于马弗炉中焙烧，马弗炉应提前设置好合适的升温程序，保证250℃的温度下焙烧10min，350℃加热40min，降至室温后取出，得到制备完成的气体扩散层制品。
单电池测试性能可达0.644V@1600mA/cm2。
浆料体系中不包含有机溶剂的成分，防止了有机污染。
实施例2
一种环保燃料电池气体扩散层制备方法，取2g炭黑(乙炔黑)，混入0.04g表面活性剂(曲拉通TX-100)，加入纯水25g，进行高速搅拌搅拌得到预混合的分散液；
向上述分散液中加入1.5g质量分数为60wt.％的PTFE乳液，再次进行高速搅拌搅拌；
向上述混合浆料中加入6g质量分数为2wt.％的水溶性聚合物类分散液的添加量及增稠剂(聚乙二醇水溶液)，先进行高速搅拌搅拌分散之后进行高速剪切分散；
将上述碳浆采用丝网印刷的方式均匀涂覆于经过憎水化处理的碳纸上，最终涂层中的碳载量为2.0mg/cm2；
将上述喷涂处理后的气体扩散层置于马弗炉中焙烧，马弗炉应提前设置好合适的升温程序，保证250℃的温度下焙烧10min，350℃加热40min，降至室温后取出，得到制备完成的气体扩散层制品。
单电池测试性能可达0.647V@1600mA/cm2。
浆料体系中不包含有机溶剂的成分，防止了有机污染。
实施例3
一种环保燃料电池气体扩散层制备方法，取2g炭黑(乙炔黑)及0.02g氧化铈纳米粉末混合，混入0.04g表面活性剂(曲拉通TX-100)，加入纯水25g，进行高速搅拌搅拌得到预混合的分散液；
向上述分散液中加入1.5g质量分数为60wt％的PTFE乳液，再次进行高速搅拌；
向上述混合浆料中加入6g质量分数为2％的水溶性聚合物类分散液的添加量及增稠剂(HPMC-4000水溶液)，先进行高速搅拌搅拌分散之后进行高速剪切分散；
将上述碳浆采用丝网印刷的方式均匀涂覆于经过憎水化处理的碳纸上，最终涂层中的碳载量为2.0mg/cm2；
将上述喷涂处理后的气体扩散层置于马弗炉中焙烧，马弗炉应提前设置好合适的升温程序，保证250℃的温度下焙烧10min，350℃加热40min，降至室温后取出，得到制备完成的气体扩散层制品。
单电池测试性能可达0.645V@1600mA/cm2。
浆料中添加的功能材料氧化铈纳米粉末在不影响电池性能的前提下，可吸收电池运行过程中产生的自由基，提升膜电极的运行寿命。
浆料体系中不包含有机溶剂的成分，防止了有机污染。
对比例1
一种环保燃料电池气体扩散层制备方法，具体步骤如下：取2g炭黑(乙炔黑)，4.5g质量分数为20wt％的PTFE乳液加入到一定量的异丙醇中混合均匀，配制成粘度为100–200cps的浆料；
将上述碳浆采用喷涂的方式均匀喷涂于经过憎水化处理的碳纸上，最终涂层中的碳载量为2.0mg/cm2。
将上述喷涂处理后的气体扩散层置于马弗炉中焙烧，马弗炉应提前设置好合适的升温程序，保证250℃的温度下焙烧10min，350℃加热40min，降至室温后取出，得到制备完成的气体扩散层制品。
单电池测试性能为0.635V@1600mA/cm2。
浆料体系中含有机溶剂的成分。
对比例2
一种环保燃料电池气体扩散层制备方法，具体步骤如下：取2g炭黑(乙炔黑)，4.5g质量分数为20wt％的PTFE乳液加入到一定量的异丙醇中混合均匀，配制成粘度为3000–4000cps的浆料；
将上述碳浆采用丝网印刷的方式均匀涂覆于经过憎水化处理的碳纸上，最终涂层中的碳载量为2.0mg/cm2。
将上述喷涂处理后的气体扩散层置于马弗炉中焙烧，马弗炉应提前设置好合适的升温程序，保证250℃的温度下焙烧10min，350℃加热40min，降至室温后取出，得到制备完成的气体扩散层制品。
单电池测试性能为0.638V@1600mA/cm2。
浆料体系中含有机溶剂的成分。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种环保燃料电池气体扩散层，其特征在于：包括溶剂、气体扩散层浆料；所述溶剂包括水，所述气体扩散层浆料包括碳材料、功能材料、聚四氟乙烯疏水树脂分散液、水溶性聚合物类分散剂及增稠剂、表面活性剂；
所述碳材料的添加量为气体扩散层浆料总体的2.0wt.％-10.0wt.％，所述功能材料的添加量为碳材料的0wt.％-2.0wt.％，所述聚四氟乙烯疏水树脂分散液的添加量为碳材料的18wt.％-150wt.％，所述水溶性聚合物类分散剂及增稠剂的添加量为气体扩散层浆料总体的5wt.％-30wt.％，所述表面活性剂添加量为碳材料的5wt.％-40wt.％；
所述功能材料包括碳化钛、氮化钛、氧化铈、氧化锆、氧化钇以及碳化钨粉末中的一种或多种；
所述水溶性聚合物类分散剂及增稠剂包括水溶性聚合物、水溶性聚合物的衍生物、水溶性聚合物的改性产品中的一种或者多种；所述水溶性聚合物包括水可溶型淀粉、海藻酸钠，琼胶、阿拉伯胶、黄蓍胶、瓜尔胶、卡拉胶、果胶、明胶、干酪素、壳聚糖、黄原胶、结冷胶、透明质酸、羧甲基纤维素钠，羟丙基甲基纤维素，羟乙基纤维素，羟丙基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚氧化乙烯、聚马来酸酐、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸及其共聚物、聚丙烯酰胺、聚乙烯胺中的一种或者多种。
2.根据权利要求1所述的环保燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述碳材料包括碳粉，所述碳粉具体包括碳黑、碳纤维、活性碳、碳纳米管、石墨、氧化石墨、还原氧化石墨、石墨烯、富勒烯中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的环保燃料电池气体扩散层，其特征在于，所述表面活性剂包括有机胺类阳离子或非离子表面活性剂。
4.一种根据权利要求1-3中任一所述的环保燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、将碳材料、功能材料、水溶性聚合物类分散剂及增稠剂、聚四氟乙烯疏水树脂分散液、表面活性剂分散于溶剂中得到气体扩散层浆料，所述分散包括高速搅拌分散、高速剪切分散、超声波分散、机械球磨分散、高压均质分散中的一种或多种；
B、将气体扩散层浆料涂覆在基底支撑层上得到微孔层涂层，所述基底支撑层包括碳纸或碳毡，涂覆过程包括刮涂法，丝网印刷法，高压气体喷涂法，超声波喷涂法，转移涂布法，挤压涂布法，流延法中的一种或多种；
C、进行两段式焙烧热处理。
5.根据权利要求4所述的环保燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
a、取碳材料和/或部分功能材料，将碳材料加入溶剂中，加入表面活性剂和水溶性聚合物类分散剂及增稠剂，进行分散，得到预分散液；
b、向上述预分散液中加入聚四氟乙烯疏水树脂分散液，再次进行分散使碳材料与聚四氟乙烯疏水树脂分散液混合均匀得到预混合浆料，所述聚四氟乙烯疏水树脂分散液的添加量为碳材料的18wt.％-150wt.％；
c、向上述预混合浆料中加入水溶性聚合物类分散剂及增稠剂，进行二次分散，所述二次分散包括先进行高速搅拌分散，再进行高速剪切分散得到碳浆，然后过滤处理，控制颗粒物直径在1um之下，得到气体扩散层浆料；所述水溶性聚合物类分散剂及增稠剂包括纤维素水溶液。
6.根据权利要求4所述的环保燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述微孔层涂层包括至少一组气体扩散层浆料涂覆的基底支撑层，所述微孔层涂层的最终的碳载量为0.5-4.0mg/cm2。
7.根据权利要求4所述的环保燃料电池气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述步骤C具体包括如下步骤：先在240-260℃的温度下焙烧5-30min，然后提升温度至340-360℃加热0.5-1h，随后降至室温后取出。
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