CN114361479A - 一种高输出功率燃料电池及其制备方法 - Google Patents
一种高输出功率燃料电池及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114361479A CN114361479A CN202111581053.3A CN202111581053A CN114361479A CN 114361479 A CN114361479 A CN 114361479A CN 202111581053 A CN202111581053 A CN 202111581053A CN 114361479 A CN114361479 A CN 114361479A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas diffusion
- diffusion layer
- fuel cell
- silane
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 86
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 111
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 claims abstract description 42
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims abstract description 41
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 35
- -1 silane modified carbon powder Chemical class 0.000 claims abstract description 33
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000013329 compounding Methods 0.000 claims abstract description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 100
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 31
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 28
- 230000033444 hydroxylation Effects 0.000 claims description 15
- 238000005805 hydroxylation reaction Methods 0.000 claims description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 11
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 11
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 10
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 7
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 7
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 5
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 3
- UKRDPEFKFJNXQM-UHFFFAOYSA-N vinylsilane Chemical compound [SiH3]C=C UKRDPEFKFJNXQM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 claims description 2
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 2
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 claims description 2
- 125000002577 pseudohalo group Chemical group 0.000 claims description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 45
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 abstract description 38
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 11
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 abstract description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 92
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 45
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 40
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 38
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 32
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 32
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 28
- 235000019241 carbon black Nutrition 0.000 description 27
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 26
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 description 16
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 14
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 13
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 12
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 11
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 10
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 230000002940 repellent Effects 0.000 description 10
- 239000005871 repellent Substances 0.000 description 10
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 10
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 9
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 8
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 7
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 7
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 5
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 5
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 5
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 4
- XDLMVUHYZWKMMD-UHFFFAOYSA-N 3-trimethoxysilylpropyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCOC(=O)C(C)=C XDLMVUHYZWKMMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 3
- ZDOBWJOCPDIBRZ-UHFFFAOYSA-N chloromethyl(triethoxy)silane Chemical compound CCO[Si](CCl)(OCC)OCC ZDOBWJOCPDIBRZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- FWDBOZPQNFPOLF-UHFFFAOYSA-N ethenyl(triethoxy)silane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)C=C FWDBOZPQNFPOLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012286 potassium permanganate Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 150000004756 silanes Chemical class 0.000 description 3
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 3
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 description 3
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 3
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 3
- WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N (3-aminopropyl)triethoxysilane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCN WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UUEWCQRISZBELL-UHFFFAOYSA-N 3-trimethoxysilylpropane-1-thiol Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCS UUEWCQRISZBELL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- YLZOPXRUQYQQID-UHFFFAOYSA-N 3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)-1-[4-[2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidin-5-yl]piperazin-1-yl]propan-1-one Chemical compound N1N=NC=2CN(CCC=21)CCC(=O)N1CCN(CC1)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F YLZOPXRUQYQQID-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PXKPPXIGPAIWDZ-UHFFFAOYSA-N 3-[dichloro(methyl)silyl]propanenitrile Chemical compound C[Si](Cl)(Cl)CCC#N PXKPPXIGPAIWDZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OXYZDRAJMHGSMW-UHFFFAOYSA-N 3-chloropropyl(trimethoxy)silane Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCCl OXYZDRAJMHGSMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OLBGECWYBGXCNV-UHFFFAOYSA-N 3-trichlorosilylpropanenitrile Chemical compound Cl[Si](Cl)(Cl)CCC#N OLBGECWYBGXCNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DOGMJCPBZJUYGB-UHFFFAOYSA-N 3-trichlorosilylpropyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CC(=C)C(=O)OCCC[Si](Cl)(Cl)Cl DOGMJCPBZJUYGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DCQBZYNUSLHVJC-UHFFFAOYSA-N 3-triethoxysilylpropane-1-thiol Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCS DCQBZYNUSLHVJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GBQYMXVQHATSCC-UHFFFAOYSA-N 3-triethoxysilylpropanenitrile Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCC#N GBQYMXVQHATSCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LVACOMKKELLCHJ-UHFFFAOYSA-N 3-trimethoxysilylpropylurea Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCNC(N)=O LVACOMKKELLCHJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006245 Carbon black Super-P Substances 0.000 description 1
- 229910014571 C—O—Si Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910021577 Iron(II) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002808 Si–O–Si Inorganic materials 0.000 description 1
- NOZAQBYNLKNDRT-UHFFFAOYSA-N [diacetyloxy(ethenyl)silyl] acetate Chemical compound CC(=O)O[Si](OC(C)=O)(OC(C)=O)C=C NOZAQBYNLKNDRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000013065 commercial product Substances 0.000 description 1
- 239000000306 component Substances 0.000 description 1
- 239000006258 conductive agent Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- YLJJAVFOBDSYAN-UHFFFAOYSA-N dichloro-ethenyl-methylsilane Chemical compound C[Si](Cl)(Cl)C=C YLJJAVFOBDSYAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- YGUFXEJWPRRAEK-UHFFFAOYSA-N dodecyl(triethoxy)silane Chemical compound CCCCCCCCCCCC[Si](OCC)(OCC)OCC YGUFXEJWPRRAEK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- NKSJNEHGWDZZQF-UHFFFAOYSA-N ethenyl(trimethoxy)silane Chemical compound CO[Si](OC)(OC)C=C NKSJNEHGWDZZQF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000003682 fluorination reaction Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- RSKGMYDENCAJEN-UHFFFAOYSA-N hexadecyl(trimethoxy)silane Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCC[Si](OC)(OC)OC RSKGMYDENCAJEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DKAGJZJALZXOOV-UHFFFAOYSA-N hydrate;hydrochloride Chemical compound O.Cl DKAGJZJALZXOOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- NMCUIPGRVMDVDB-UHFFFAOYSA-L iron dichloride Chemical compound Cl[Fe]Cl NMCUIPGRVMDVDB-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- QLOAVXSYZAJECW-UHFFFAOYSA-N methane;molecular fluorine Chemical compound C.FF QLOAVXSYZAJECW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VNBLTKHUCJLFSB-UHFFFAOYSA-N n-(trimethoxysilylmethyl)aniline Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CNC1=CC=CC=C1 VNBLTKHUCJLFSB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 1
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 1
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- OOXSLJBUMMHDKW-UHFFFAOYSA-N trichloro(3-chloropropyl)silane Chemical compound ClCCC[Si](Cl)(Cl)Cl OOXSLJBUMMHDKW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GQIUQDDJKHLHTB-UHFFFAOYSA-N trichloro(ethenyl)silane Chemical group Cl[Si](Cl)(Cl)C=C GQIUQDDJKHLHTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PYJJCSYBSYXGQQ-UHFFFAOYSA-N trichloro(octadecyl)silane Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC[Si](Cl)(Cl)Cl PYJJCSYBSYXGQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NBXZNTLFQLUFES-UHFFFAOYSA-N triethoxy(propyl)silane Chemical compound CCC[Si](OCC)(OCC)OCC NBXZNTLFQLUFES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VTHOKNTVYKTUPI-UHFFFAOYSA-N triethoxy-[3-(3-triethoxysilylpropyltetrasulfanyl)propyl]silane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCSSSSCCC[Si](OCC)(OCC)OCC VTHOKNTVYKTUPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HQYALQRYBUJWDH-UHFFFAOYSA-N trimethoxy(propyl)silane Chemical compound CCC[Si](OC)(OC)OC HQYALQRYBUJWDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005050 vinyl trichlorosilane Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明提供一种高输出功率燃料电池及其制备方法，质子交换膜燃料电池的气体扩散层除了提供排水功能，对保持催化剂层水的排出以及气体向催化剂层的扩散能力也有影响，可能存在高电流密度下电池性能下降的问题。本发明将硅烷改性炭粉、粘接剂、分散剂混合得到微孔层浆料；然后将微孔层浆料与导电基底复合，干燥后得到气体扩散层；其具有优异的疏水性能以及良好的排水性能，尤其是，提高了气体向催化剂反应层的扩散，从而可实现更高的电流密度和电压，提升了燃料电池在高电流密度下的输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池，属于用于直接转变化学能为电能技术领域，具体为一种高输出功率燃料电池及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是能够将化学能转化为电能的能量转化装置，由于其高能量转换效率、较低的工作温度以及零碳排放的特点受到了广泛关注，在减少气候变化和实现资源的可持续性方面发挥着重要作用，这种可再生能源系统的广泛采用促进了氢经济的发展，被认为是全球能源危机的潜在解决方案。典型的PEMFC单电池通常包含膜电极组件(MEA)和双极板(BP)，膜电极是燃料电池的核心部件，其由质子交换膜(PEM)、催化层(CL)和带有微孔层(MPL)的气体扩散层(GDL)组成，确保反应物气体、产物水、质子和反应热的传输。目前最常用的技术是在GDL表面会构筑一层碳黑和聚四氟乙烯(PTFE)组成的MPL，其导电剂与疏水剂协同作用较差导致电池性能还需改善，尤其是峰值输出功率偏低。现有技术提出一种应用于燃料电池气体扩散层的炭黑改性处理方法，所述炭黑改性处理方法是先将炭黑粉末进行表面活化，形成凝胶材料，再与氟源、催化剂混合后利用紫外光辐照，进行氟化处理，制得氟化的炭黑粉末，其不仅涉及氟材料，而其制备的电池输出功率较市售产品低，不适合推广应用。现有技术还公开了一种高输出功率燃料电池及其制备方法和应用，该气体扩散层经疏水处理，之后在所述气体扩散层上赋予形状可控的亲水区域，亲水区域是由亲水小分子在所述气体扩散层中自组装而形成的亲水膜结构，其膜结构厚度取决于该小分子直径大小，其亲水能力取决于该小分子所含的亲水基团的强弱；亲水区域穿过整个气体扩散层厚度的至少一部分，其制备过程复杂且需要精确控制，制备的电池输出功率较市售产品低，不适合推广应用。因此需要研发新的方法，制备高输出功率燃料电池。
发明内容
本发明提供了一种高输出功率燃料电池，具有新的扩散层，可提高质子交换膜燃料电池在大电流工作环境下微孔层疏水的稳定性，从而提升燃料电池的输出功率和耐久性。
本发明采用如下技术方案：
一种高输出功率燃料电池，包括质子交换膜、催化层、气体扩散层；所述气体扩散层的制备方法为，将硅烷改性炭粉、粘接剂、分散剂混合得到微孔层浆料；然后将微孔层浆料与导电基底复合，干燥后得到气体扩散层。具体的，炭粉经过表面羟基化处理后与溶剂、硅烷混合，然后加热搅拌，得到硅烷改性炭粉；再将硅烷改性炭粉、粘接剂、分散剂混合得到微孔层浆料；然后将微孔层浆料与导电基底复合，干燥后得到气体扩散层。本发明的气体扩散层由导电基底以及位于导电基底上的硅烷改性炭粉、粘接剂组成，其中碳基元不团聚，未发生相分离，分布均匀性好，避免造成电极的“水淹”，此外，耐水冲刷能力强。将微孔层浆料与导电基底复合，干燥后得到高输出功率燃料电池具体为现有技术。
本发明中，以铁盐与双氧水处理炭粉，得到表面羟基化处理炭粉，优选的，炭粉、铁盐、双氧水的用量比为1g∶（4～5）g∶（200～300）mL；或者以强氧化剂处理炭粉，得到表面羟基化处理炭粉，其中，强氧化剂为酸与高锰酸钾酸，比如硝酸或者硫酸，优选的，炭粉、酸的用量比为1g∶（150～300）mL，炭粉、高锰酸钾的用量比为1g∶（0.05～0.07）mol。比如，以1g炭粉与200 mL的 65wt%的浓硝酸或200 mL 的0.3M KMnO4溶液，于80～100℃回流 4～12h，然后充分洗涤、干燥，得到表面羟基化的炭粉。
本发明中，炭粉经过表面羟基化处理后与溶剂混合，再用酸调节体系pH至2～6，再加入硅烷混合，然后加热搅拌，再经过过滤、洗涤、干燥，得到硅烷改性炭粉；其中，酸为乙酸、盐酸等常规酸溶液。优选的，炭粉、硅烷的质量比为2∶1.25～25。加热搅拌的温度为60～150℃，时间为1～8小时。溶剂为小分子醇与水的混合液，小分子可以为乙醇、甲醇或乙二醇，优选的，小分子醇与水的质量比例为1∶（0.2～9）。
本发明中，炭粉为各种碳黑、合成碳、石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种的混合物；导电基底为碳纸、碳布中的一种；粘接剂为常规电池用粘接剂。硅烷为乙烯基类硅烷、氯烃基类硅烷、氨烃基类硅烷、环氧烃基类硅烷、甲基丙烯酰氧烷基类硅烷、含硫烃基类硅烷、拟卤素类硅烷、烷烃类硅烷中的一种或几种，其中，乙烯基类硅烷如乙烯基三氯硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、乙烯基甲基二氯硅烷等；氯烃基类硅烷如γ-氯丙基三氯硅烷、γ-氯丙基三甲氧基硅烷、氯甲基三乙氧基硅烷等；氨烃基类硅烷如 γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-脲丙基三甲氧基硅烷、 苯胺甲基三甲氧基硅烷等、环氧烃基硅烷如γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷、γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三乙氧基硅烷等；甲基丙烯酰氧烷基类硅烷如γ-甲基丙烯酰氧丙基三氯硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（KH570）、聚甲基硅氧烷等；含硫烃基类硅烷如γ-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、 双-（3-三乙氧硅丙基）四硫化物等；拟卤素类硅烷如β-氰乙基三氯硅烷、β-氰乙基甲基二氯硅烷、β-氰乙基三乙氧基硅烷等；烷烃类硅烷如十六烷基三甲氧基硅烷、 十八烷基三氯硅烷、 十二烷基三乙氧基硅烷等。
本发明中， 分散剂为异丙醇、酒精和乙二醇的一种或几种；硅烷改性炭粉、粘接剂、分散剂的用量比例为（0.03～0.1）g∶（0.05～0.2）g∶10 mL。
本发明中，质子交换膜、催化层、阳极气体扩散层和双极板为现有产品，将本发明的阴极气体扩散层、质子交换膜（带有催化剂层）、阳极气体扩散层和双极板组装成燃料电池。
本发明制备的气体扩散层为高输出功率燃料电池的阴极气体扩散层。
质子交换膜燃料电池的气体扩散层除了提供排水功能，对保持催化剂层水的排出以及气体向催化剂层的扩散能力也有影响，可能存在高电流密度下电池性能下降的问题。本发明将炭粉经过表面羟基化处理后与溶剂、硅烷混合，然后加热搅拌，得到硅烷改性炭粉；再将硅烷改性炭粉、粘接剂、分散剂混合得到微孔层浆料；然后将微孔层浆料与导电基底复合，干燥后得到高输出功率燃料电池用阴极气体扩散层；其具有优异的疏水性能以及良好的排水性能，尤其是，提高了气体向催化剂反应层的扩散，从而可实现更高的电流密度和电压，提升了燃料电池在高电流密度下的输出功率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
疏水处理工艺是决定GDL对燃料电池运行过程中反应气体传输到催化层、产物水的排出和防止膜电极发生“水淹”的关键因素。本发明中，疏水剂在分子层次上的均匀分布，从而构建高性能微孔层，提供的微孔层的制备方法避免了高温热处理过程；提高了微孔层中疏水导电炭粉的均匀分散程度；提高了微孔层中疏水导电炭粉结合的稳定性；提高了燃料电池的工作电流和电压，提升了燃料电池在高电流密度下的输出功率。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的阴极气体扩散层组装的燃料电池与以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂、采用传统物理混合和涂覆法、并经350℃热处理制备的阴极气体扩散层组装的燃料电池（对比例1）以及以商业气体扩散层（东丽 TGP- 060）作为阴极气体扩散层组装的燃料电池的性能曲线对比图。
图2为本发明实施例2制得的阴极气体扩散层组装的燃料电池与以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂，采用传统物理混合和涂覆法，并经350℃热处理制备阴极气体扩散层组装的燃料电池（对比例2）的性能曲线对比图。
图3为本发明实施例3制得的阴极气体扩散层组装的燃料电池与以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂，采用传统物理混合和涂覆法，并经350℃热处理制备阴极气体扩散层组装的燃料电池（对比例3）的性能曲线对比图。
图4为本发明实施例4制得的阴极气体扩散层组装的燃料电池与以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂，采用传统物理混合和涂覆法，并经350℃热处理制备阴极气体扩散层组装的燃料电池（对比例4）的性能曲线对比图。
图5为本发明实施例5制得的阴极气体扩散层组装的燃料电池与以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂，采用传统物理混合和涂覆法，并经350℃热处理制备阴极气体扩散层组装的燃料电池（对比例5）的性能曲线对比图。
图6为本发明实施例6制得的阴极气体扩散层组装的燃料电池与以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂，采用传统物理混合和涂覆法，并经350℃热处理制备阴极气体扩散层组装的燃料电池（对比例6）的性能曲线对比图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实例仅仅是帮助理解本发明，并不因此将本发明限制在所属实例范围之中。本发明涉及的原料都为电池用常规产品，具体制备操作以及测试方法都为常规方法。
作为示例，本发明公开的燃料电池的制备方法如下：
1) 将导电炭粉进行表面羟基化处理，使得表面具有-OH等含氧官能团后，加入去离子水和乙醇或甲醇或乙二醇的混合溶液中，水和醇的比例在0.2～9∶1，常规超声分散10～60分钟，形成均匀的分散液；
2) 加入乙酸或盐酸水溶液调节溶液pH至2～6；
3) 将硅烷加入上述溶液中，炭粉与硅烷的质量比例为2∶1.25～25，升温至60～150℃，常规机械搅拌1～8h，待硅烷与碳粉反应结束后，将溶液进行离心清洗或抽滤清洗，依次用水和乙醇反复洗涤，将洗干净的材料放入60°C烘箱烘干待用；
4) 将干燥的改性后的碳粉加入异丙醇、酒精和乙二醇的一种或几种的混合溶液中，再加入粘结剂Nafion溶液，Nafion含量为1～50 wt.%，超声分散1～8h形成微孔层浆料；
5) 将微孔层浆料喷涂在炭纸基底上，干燥后称重，然后重复该步骤直到导电炭粉的负载量达到0.5～3.0 mg/cm2，得到气体扩散层；
6）将制备好的气体扩散层作为阴极气体扩散层，与以商业催化剂Pt/C涂覆质子交换膜制备的膜电极、商业阳极气体扩散层和石墨双极板组装为燃料电池。商业催化剂Pt/C、质子交换膜、商业阳极气体扩散层和石墨双极板都是常规市售产品，以下例子所用来源一致。
进行测试。经活化处理后，进行稳态测试，最后进行极化曲线和功率密度测试，在80°C、40%相对湿度、H2和空气化学计量比为1.5:2、前压为102/71 (Kpa)、背压为100/40（Kpa）下进行，测试面积为25cm2。测试使用美国的燃料电池测试系统(ScribnerAssociates, Inc，890e)。以下实施例和对比例中所有的电池除了阴极气体扩散层之外，其它组成都一样。
以1g炭粉与4.5g FeCl2•4H2O、250 mL过氧化氢水溶液(H2O2:H2O= 1:3,体积比)常规混合搅拌1小时，然后使用0.1M 盐酸溶液对反应产物进行过滤洗涤以去除产物中残留的铁离子，最后充分洗涤、干燥，得到表面羟基化的炭粉。以下实验表面羟基化过程如此进行。
实施例1
称取0.2g 碳黑（Super P，粒径~50nm），进行表面羟基化处理后，加入45mL乙醇和5mL去离子水的混合溶液中，超声分散30分钟；
用乙酸溶液（0.1M）调节PH至2，加入1mL γ-巯丙基三甲氧基硅烷，60°C水浴搅拌4h，再将溶液进行离心清洗，依次用水和乙醇洗涤，将洗干净的材料放入60°C烘箱烘干，从所得到的硅烷改性的导电碳黑的傅里叶红外光谱（FTIR）结果可以看到硅烷改性后的导电碳黑在1141cm-1和1201cm-1处的峰为含氟官能团，在1018 cm-1和1072 cm-1处的峰分别为Si-O-C、和Si-O-Si化学键，这些结果证明了硅烷接枝在了导电碳黑上；称取上述改性后的碳黑0.05g，加入0.1g粘结剂 Nafion溶液（5 wt.%） 和10 mL异丙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料；将微孔层浆料喷涂在炭纸基底上，并在75℃下烘干2h即得到气体扩散层，Super P型碳黑负载量为1.5 mg cm-2，所得到的气体扩散层的水接触角为151.0°，实现了疏水。
将制备好的气体扩散层作为阴极气体扩散层，与以商业催化剂Pt/C涂覆质子交换膜制备的膜电极（阴极Pt负载量为0.3mg/cm2、阳极Pt负载量为0.08 mg/ cm2）、商业阳极气体扩散层和石墨双极板组装为燃料电池。
对比例1
采用实施例1中的碳黑super P，以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂，称取0.1g碳黑和0.033g 60% PTFE分散液溶于16mL的异丙醇中，超声1 h，将浆料喷涂在炭纸基底上，碳黑负载量为1.5 mg cm-2。最后将喷涂完成的碳纸放入350℃的马弗炉中烧结1h，制备阴极气体扩散层（水接触角149°），组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，组装电池以及测试条件与实施例1相同。
对比例1`
采用商用阴极气体扩散层（东丽TGP-060，属于现有工业化高性能商品，水接触角145.6°）， 组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，组装电池以及测试条件与实施例1相同。
将上述实施例1、对比例1和对比例1`制备的燃料电池进行单电池测试，电池性能曲线如图1所示，实施例1的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1212 mW cm-2；对比例1的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1060 mW cm-2；对比例1`的气体扩散层所得电池的峰值输出功率为1103 mW cm-2。采用本发明制备的阴极气体扩散层组装的燃料电池可实现更高的电流密度和电压，并提升了燃料电池在高电流密度下的输出功率。
实施例2
称取0.2g 碳黑（Vulcan-XC72，粒径~30nm），进行表面羟基化处理后，加入45mL甲醇和5mL去离子水的混合溶液中，超声分散30分钟；用乙酸溶液（0.1M）调节PH至3，加入1mL乙烯基三乙氧基硅烷， 80°C水浴搅拌6h，反应结束后，将溶液进行抽滤清洗，依次用水和乙醇反复洗涤，将洗干净的材料放入60°C烘箱烘干；称取改性后的碳黑（Vulcan-XC72） 0.1g，加入0.2 g 粘结剂Nafion溶液（5 wt.%）和20 mL乙二醇溶液，超声分散4h得到微孔层浆料；将微孔层浆料喷涂在炭纸基底上，并在70°C下烘干2h即得到气体扩散层（水接触角150.1°），Vulcan-XC72型碳黑负载量为2.0 mg cm-2。
将制备好的气体扩散层作为阴极气体扩散层，与以商业催化剂Pt/C涂覆质子交换膜制备的膜电极（阴极Pt负载量为0.3mg/cm2、阳极Pt负载量为0.08 mg/ cm2）、商业阳极气体扩散层和石墨双极板组装为燃料电池。
对比例2
采用实施例2中的碳黑（Vulcan-XC72）, 以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂，称取0.2g碳黑和0.066g 60% PTFE分散液溶于32 mL的异丙醇中，超声4 h，将浆料喷涂在炭纸基底上，碳黑负载量为2.0 mg cm-2。最后将喷涂完成的碳纸放入350℃的马弗炉中烧结1h，制备阴极气体扩散层（水接触角149.4°），组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，组装电池以及测试条件与实施例2相同。
将上述实施例2以及对比例2制备的燃料电池进行单电池测试，曲线如图2所示，实施例2所得电池的峰值输出功率为1219 mW cm-2；对比例2所得电池的峰值输出功率为1043.2 mW cm-2。结果表明采用本发明制备的燃料电池可实现更高的电流密度和电压，提升了燃料电池在高电流密度下的输出功率。
对比例2`
以0.1g 表面羟基化处理的碳黑（Vulcan-XC72，粒径~30nm），0.5 mL 乙烯基三乙氧基硅烷，0.2 g粘结剂 Nafion溶液（5 wt.%） 和20 mL乙二醇溶液，超声分散4h得到微孔层浆料，将微孔层浆料喷涂在炭纸基底上，并在70℃下烘干2h即得到气体扩散层，Vulcan-XC72型碳黑负载量为2.0 mg cm-2，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，组装电池以及测试条件与实施例2相同。采用实施例2的测试方法，所得电池的峰值输出功率为547 mW cm-2。采用本发明制备的气体扩散层组装的燃料电池，显著提升了燃料电池的输出功率。
进一步的，在水中进行超声处理30分钟后发现，实施例2制备的气体扩散层质量损失为0.0002g，市售商用阴极气体扩散层质量损失为0.0004g，对比例2`制备的气体扩散层质量损失为0.0033g。
实施例3
称取0.2g 碳黑（Ketjen black，粒径40~50nm），进行表面羟基化处理后，加入45mL乙醇和5mL去离子水的混合溶液中，超声分散40分钟；用盐酸溶液（0.1 M）调节PH至3，加入2mL γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，120°C油浴搅拌4h，反应结束后，将溶液进行离心清洗，依次用水和乙醇反复洗涤，将洗干净的材料放入60°C烘箱烘干；称取0.1g改性后的Ketjen black，加入0.2g 粘结剂Nafion溶液（5 wt.%）和20ml乙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料；将微孔层浆料喷涂在炭纸基底上，并在80°C下烘干2h即得到气体扩散层, etjenblack型碳黑负载量为2.0 mg cm-2。
将制备好的气体扩散层作为阴极气体扩散层，与以商业催化剂Pt/C涂覆质子交换膜制备的膜电极（阴极Pt负载量为0.3mg/cm2、阳极Pt负载量为0.08 mg/ cm2）、商业阳极气体扩散层和石墨双极板组装为燃料电池。
对比例3
采用实施例3中的碳黑（Ketjen black）, 以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂，称取0.2g碳黑和0.066g 60% PTFE分散液溶于32mL的异丙醇中，超声5 h，将浆料喷涂在炭纸基底上，碳黑负载量为2.0 mg cm-2。最后将喷涂完成的碳纸放入350℃的马弗炉中烧结1h，制备阴极气体扩散层，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，组装电池以及测试条件与实施例3相同。
将上述所制备的燃料电池进行单电池测试，极化曲线和功率曲线如图3所示，实施例3所得电池的峰值输出功率为1215 mW cm-2；对比例3所得电池的峰值输出功率为1063.5mW cm-2。
实施例4
称取0.3 g 经过表面羟基化处理的多层石墨烯加入50 mL乙醇和6 mL去离子水的混合溶液中，超声分散40分钟；用盐酸溶液（0.1 M）调节PH至6，加入3 mL γ-（2,3-环氧丙氧）丙基三乙氧基硅烷，100°C油浴搅拌4h，待反应结束后，将溶液进行离心清洗，依次用水和乙醇反复洗涤，将洗干净的材料放入60°C烘箱烘干；称取0.2g改性后的石墨烯，加入0.4g粘结剂Nafion溶液（5 wt.%）和40ml乙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料；将微孔层浆料喷涂在炭纸基底上，并在80°C下烘干2h即得到气体扩散层, 石墨烯负载量为2.5 mg cm-2。
将制备好的气体扩散层作为阴极气体扩散层，与以商业催化剂Pt/C涂覆质子交换膜制备的膜电极（阴极Pt负载量为0.3mg/cm2、阳极Pt负载量为0.08 mg/ cm2）、商业阳极气体扩散层和石墨双极板组装为燃料电池。
对比例4
采用实施例4中的多层石墨烯, 以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂，称取0.3g多层石墨烯和0.1 g 60% PTFE分散液溶于50 mL的异丙醇中，超声1 h，将浆料喷涂在炭纸基底上，多层石墨烯负载量为2.5 mg cm-2。最后将喷涂完成的碳纸放入350℃的马弗炉中烧结1h，制备阴极气体扩散层，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，组装电池以及测试条件与实施例4相同。
将上述制备的燃料电池进行单电池测试，极化曲线和功率曲线如图4所示，实施例4所得电池的峰值输出功率为1128 mW cm-2；对比例4所得电池的峰值输出功率为930.7 mWcm-2。
实施例5
称取0.3 g 经过行表面羟基化处理的多壁碳纳米管加入50 mL乙醇和6 mL去离子水的混合溶液中，超声分散40分钟；用盐酸溶液（0.1 M）调节PH至4，加入3 mL γ-氨丙基三乙氧基硅烷，90°C水浴搅拌4h，待反应结束后，将溶液进行抽滤清洗，依次用水和乙醇反复洗涤，将洗干净的材料放入60°C烘箱烘干；称取0.2g改性后的多壁碳纳米管，加入0.4g 粘结剂Nafion溶液（5 wt.%）和40ml乙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料；将微孔层浆料喷涂在炭纸基底上，并在80°C下烘干2h即得到气体扩散层, 碳纳米管负载量为2.5mg cm-2。
将制备好的气体扩散层作为阴极气体扩散层，与以商业催化剂Pt/C涂覆质子交换膜制备的膜电极（阴极Pt负载量为0.3mg/cm2、阳极Pt负载量为0.08 mg/ cm2）、商业阳极气体扩散层和石墨双极板组装为燃料电池。
对比例5
采用实施例5中的多壁碳纳米管, 以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂，称取0.3g多壁碳纳米管和0.1g 60% PTFE分散液溶于50 mL的异丙醇中，超声1 h，将浆料喷涂在炭纸基底上，碳黑负载量为2.5 mg cm-2。最后将喷涂完成的碳纸放入350℃的马弗炉中烧结1h，制备阴极气体扩散层，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，组装电池以及测试条件与实施例5相同。
将上述制备的燃料电池进行单电池测试，极化曲线和功率曲线如图5所示，实施例5所得电池的峰值输出功率为1320 mW cm-2；对比例5所得电池的峰值输出功率为963.6 mWcm-2。
实施例6
称取0.4 g 经过表面羟基化处理的活性碳（粒径：50~250 nm）加入60 mL乙醇和6mL去离子水的混合溶液中，超声分散40分钟；用盐酸溶液（0.1 M）调节PH至5，加入4 mL氯甲基三乙氧基硅烷，130°C油浴搅拌5h，待反应结束后，将溶液进行离心清洗，依次用水和乙醇反复洗涤，将洗干净的材料放入60°C烘箱烘干；称取0.3g改性后的活性碳，加入0.5g 粘结剂Nafion溶液（5 wt.%）和60ml乙醇溶液，超声分散5h得到微孔层浆料；将微孔层浆料喷涂在炭纸基底上，并在80°C下烘干2h即得到气体扩散层，活性碳负载量为3.0 mg cm-2。
将制备好的气体扩散层作为阴极气体扩散层，与以商业催化剂Pt/C涂覆质子交换膜制备的膜电极（阴极Pt负载量为0.3mg/cm2、阳极Pt负载量为0.08 mg/ cm2）、商业阳极气体扩散层和石墨双极板组装为燃料电池。
对比例6
采用实施例6中的活性碳, 以聚四氟乙烯（PTFE）作为疏水剂，称取0.4g活性碳和0.0132g 60% PTFE分散液溶于 65 mL的异丙醇中，超声1 h，将浆料喷涂在炭纸基底上，活性碳负载量为3.0 mg cm-2。最后将喷涂完成的碳纸放入350℃的马弗炉中烧结1h，制备阴极气体扩散层，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，组装电池以及测试条件与实施例6相同。
将上述制备的燃料电池进行单电池测试，极化曲线和功率曲线如图6所示，实施例6所得电池的峰值输出功率为1327 mW cm-2；对比例6所得电池的峰值输出功率为860.8 mWcm-2。结果表明采用本发明制备的气体扩散层组装的燃料电池可实现更高的电流密度和电压，提升了燃料电池在高电流密度下的输出功率。
实施例7
以0.3 g表面羟基化处理的活性碳（粒径：50~250 nm，取自实施例6），3 mL氯甲基三乙氧基硅烷，0.5g 粘结剂Nafion溶液（5 wt.%）和60 mL乙醇溶液进行混合，超声分散5h得到微孔层浆料，将微孔层浆料喷涂在炭纸基底上，并在80°C下烘干2h得到气体扩散层，活性碳负载量为3.0 mg cm-2，组装成电池，采用燃料电池测试系统进行极化曲线和功率密度测试，组装电池以及测试条件与实施例6相同。采用实施例6的测试方法，所得电池的峰值输出功率为442 mW cm-2。
实施例8
以多层石墨烯取代实施例3中的碳黑，以同一种硅烷、完全相同的工艺制备改性石墨烯以及相应的微孔层浆料和气体扩散层，以所制备的气体扩散层（石墨烯负载量为2.0mg cm-2）用作燃料电池的阴极扩散层组装成电池，进行单电池测试，所得电池的峰值输出功率为1132 mW cm-2；实施例3中，以碳黑（Ketjen black）作为微孔层的碳基元，所得电池的峰值输出功率为1215 mW cm-2。可见，硅烷相同，但是碳材料的密度或结构不同，对燃料电池的性能有明显影响。
本发明属于燃料电池技术领域，具体公开了新的气体扩散层中微孔层组装的质子交换膜燃料电池，本发明采用化学嫁接法将硅烷键合到碳基元表面，获得疏水导电剂在分子层次上的均匀分布，从而构建稳定微孔层，尤其是采用上述方法制备的气体扩散层有超疏水性，并且有效促进了三相界面的水气传输，提高了燃料电池的输出功率，为强化燃料电池气体扩散层的水/气传输特性和提高燃料电池的性能开辟了一条有前景的途径。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，可以理解的是，上述实例仅仅是为清楚的说明所做的举例，并非对实施方式的限定。本领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种高输出功率燃料电池，包括质子交换膜、催化层、气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层的制备方法为，将硅烷改性炭粉、粘接剂、分散剂混合得到微孔层浆料；然后将微孔层浆料与导电基底复合，干燥后得到气体扩散层。
2.根据权利要求1所述高输出功率燃料电池，其特征在于，所述气体扩散层为阴极气体扩散层。
3.根据权利要求1所述高输出功率燃料电池，其特征在于，炭粉为碳黑、合成碳、石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或几种的混合物；导电基底为碳纸、碳布中的一种；硅烷为乙烯基类硅烷、氯烃基类硅烷、氨烃基类硅烷、环氧烃基类硅烷、甲基丙烯酰氧烷基类硅烷、含硫烃基类硅烷、拟卤素类硅烷、烷烃类硅烷中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述高输出功率燃料电池，其特征在于，所述高输出功率燃料电池还包括阳极气体扩散层、质子交换膜、催化层、双极板。
5.根据权利要求1所述高输出功率燃料电池，其特征在于，包括以下步骤，炭粉经过表面羟基化处理后与溶剂、硅烷混合，然后加热搅拌，得到硅烷改性炭粉；再将硅烷改性炭粉、粘接剂、分散剂混合得到微孔层浆料；然后将微孔层浆料与导电基底复合，干燥后得到气体扩散层。
6.根据权利要求1所述高输出功率燃料电池，其特征在于，将阴极气体扩散层、质子交换膜、阳极气体扩散层和双极板组装成燃料电池。
7.一种燃料电池用膜电极，包括质子交换膜、催化层、气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层的制备方法为，将硅烷改性炭粉、粘接剂、分散剂混合得到微孔层浆料；然后将微孔层浆料与导电基底复合，干燥后得到气体扩散层。
8.权利要求1所述高输出功率燃料电池的制备方法，其特征在于，将硅烷改性炭粉、粘接剂、分散剂混合得到微孔层浆料；然后将微孔层浆料与导电基底复合，干燥后得到气体扩散层；将所述气体扩散层、质子交换膜、阳极气体扩散层和双极板组装成燃料电池。
9.权利要求1所述高输出功率燃料电池作为高输出功率电池的应用。
10.权利要求7所述燃料电池用膜电极在制备燃料电池中的应用。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111581053.3A CN114361479B (zh) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | 一种高输出功率燃料电池及其制备方法 |
| PCT/CN2022/143913 WO2023116939A1 (zh) | 2021-12-22 | 2022-12-30 | 一种高输出功率燃料电池及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111581053.3A CN114361479B (zh) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | 一种高输出功率燃料电池及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114361479A true CN114361479A (zh) | 2022-04-15 |
| CN114361479B CN114361479B (zh) | 2024-05-17 |
Family
ID=81101853
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111581053.3A Active CN114361479B (zh) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | 一种高输出功率燃料电池及其制备方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114361479B (zh) |
| WO (1) | WO2023116939A1 (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023116939A1 (zh) * | 2021-12-22 | 2023-06-29 | 苏州大学 | 一种高输出功率燃料电池及其制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007273145A (ja) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Nippon Steel Corp | 燃料電池用ガス拡散電極及び燃料電池 |
| CN110444769A (zh) * | 2019-07-17 | 2019-11-12 | 珠海冠宇电池有限公司 | 一种高导电性超疏水气体扩散层及其制备方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106784943B (zh) * | 2016-12-19 | 2019-05-14 | 华南理工大学 | 一种高功率密度的质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法 |
| DE102019217882A1 (de) * | 2019-11-20 | 2021-05-20 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Herstellung einer hydrophoben mikroporösen Schicht |
| CN114361479B (zh) * | 2021-12-22 | 2024-05-17 | 苏州大学 | 一种高输出功率燃料电池及其制备方法 |
-
2021
- 2021-12-22 CN CN202111581053.3A patent/CN114361479B/zh active Active
-
2022
- 2022-12-30 WO PCT/CN2022/143913 patent/WO2023116939A1/zh unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007273145A (ja) * | 2006-03-30 | 2007-10-18 | Nippon Steel Corp | 燃料電池用ガス拡散電極及び燃料電池 |
| CN110444769A (zh) * | 2019-07-17 | 2019-11-12 | 珠海冠宇电池有限公司 | 一种高导电性超疏水气体扩散层及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MENG L Y,PARK S J: "Effect of fluorination ofcarbon nanotubes on superhydrophobic properties of fluoro-based films", 《JOURNAL OF COLLOID&INTERFACE SCIENCE》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023116939A1 (zh) * | 2021-12-22 | 2023-06-29 | 苏州大学 | 一种高输出功率燃料电池及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114361479B (zh) | 2024-05-17 |
| WO2023116939A1 (zh) | 2023-06-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110504472B (zh) | 一种提高催化剂利用率的直接甲醇燃料电池膜电极及其制备方法 | |
| JP4384089B2 (ja) | 担持触媒の製造方法 | |
| US8846271B2 (en) | Electrode material | |
| CN101557001B (zh) | 一种燃料电池膜电极及其制备方法 | |
| CN105845946B (zh) | 一种在碳纸上原位沉积金属纳米催化剂的气体扩散电极及其制造方法 | |
| CN112786937B (zh) | 一种燃料电池膜电极及其制备方法 | |
| CN102437343A (zh) | 阳极催化层含亲水性高分子聚合物的膜电极及其制备方法 | |
| CN111261878B (zh) | 含水凝胶的催化剂浆料及制得的催化层和燃料电池电极 | |
| CN107611452A (zh) | 一种含有三维疏水阴极催化层的膜电极的制备方法 | |
| JP2009295441A (ja) | 炭素触媒、炭素触媒の製造方法、膜電極接合体、及び、燃料電池 | |
| CN114335570B (zh) | 一种燃料电池用气体扩散层及其制备方法与应用 | |
| US20090023033A1 (en) | Highly hydrophilized carrier, catalyst-supporting carrier, fuel-cell electrode, the manufacturing methods thereof, and polymer electrolyte fuel cell provided therewith | |
| Roudbari et al. | Nitrogen functionalized carbon nanotubes as a support of platinum electrocatalysts for performance improvement of ORR using fuel cell cathodic half-cell | |
| CN109546166B (zh) | 一种Pt/金属碳化物/碳纳米材料催化剂及其制备方法 | |
| CN114361479B (zh) | 一种高输出功率燃料电池及其制备方法 | |
| KR100981283B1 (ko) | 이오노머가 부착된 고분자 전해질 복합 촉매의 제조 방법 | |
| CN1744360A (zh) | 复合催化层质子交换膜燃料电池电极及其制造方法 | |
| Easton et al. | Recent advances with sulfonated silica ceramic carbon electrodes for fuel cells | |
| CN115939417A (zh) | 一种用于质子交换膜燃料电池的膜电极及其制备方法 | |
| JP2006209999A (ja) | 固体高分子形燃料電池用電極およびその製造方法 | |
| JP2006252938A (ja) | 固体高分子形燃料電池用電極およびその製造方法 | |
| JP2013114901A (ja) | 燃料電池用触媒層の製造方法及び燃料電池用触媒層 | |
| CN117276576A (zh) | 一种质子交换膜燃料电池的微孔层及其制备方法与应用 | |
| KR20180052905A (ko) | 연료전지용 전극 촉매층 형성을 위한 촉매 잉크의 제조 방법 | |
| JP2007018801A (ja) | 固体高分子形燃料電池用触媒混合体の製造方法およびその製造方法で得られた触媒混合体を含む電極を用いた固体高分子形燃料電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |