CN114824298A - 一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法,包括如下步骤：步骤A、聚丙烯腈纤维预氧化及碳化：将静电纺丝得到的聚丙烯腈纤维在氧化性气氛环境下，200度温度区间内处理20分钟，再在300度温度区间内处理15分钟，得到经过预氧化的聚丙烯腈纤维，再在惰性气体保护下，经过800‑1200度高温处理4小时，得到碳纤维膜；步骤B、制备燃料电池气体扩散层微孔层：将步骤一中得到的碳纤维膜与碳纸紧贴，在130度0.3Mpa的压力下，热压5分钟，得到附有气体扩散层的微孔层，本发明具有如下的有益效果：一方面可以增强气体扩散层微孔层的均匀性，提高气体传输效率；另一方面改变碳化温度提高微孔层憎水性，提高膜电极高电流密度下传质效率。

Description

一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氢燃料电池气体扩散层微孔层的制备方法，具体是一种基于聚丙烯腈纤维制备燃料电池气体扩散层微孔层的方法，属于氢燃料电池气体扩散层微孔层技术领域。
背景技术
与金属电池类似，燃料电池也是将燃料和氧化剂的化学能转化为电能。然而，与金属电池不同的是，只要将氢气作为燃料供持续供应，就会产生电、水和一些热量。与热力发动机相比，燃料电池的优点是效率高、无环境污染和反应物来源无限。在现有的所有燃料电池中，质子交换膜燃料电池因其简单、工作温度低、功率密度高、快速启动，快速匹配电力需求变化，特别适合作为汽车和公共汽车的候选方案。因此，燃料电池有望在交通固定和便携式发电领域得到广泛的商业应用，从而有助于解决全球能源供应和环境污染问题。
膜电极组件是质子交换膜燃料电池的核心部件，由质子交换膜、阴极和阳极催化层和气体扩散层组成。气体扩散层作为一种碳基材料，用于流场板和电池阳极和阴极两侧的催化剂层之间。在膜电极组件中，膜和电极需要水以保持高质子传导性并确保足够的燃料电池性能。然而，电极中过量的水会导致电极溢流，从而阻止电化学反应的发生并降低性能；因此，必须保持恰当的平衡。在这方面，气体扩散层通过控制质量、热量和电子传输在电池运行中发挥着多方面的作用。此外气体扩散层还在组装和操作过程中为脆弱的催化剂层和膜提供强大的机械支撑和保护。气体扩散层通常设计为一种多孔材料，空隙区域主要控制反向流动的反应物和副产物水的传输，而剩余的固体结构提供电子和热传输的途径。
尽管存在各种类型的气体扩散层并且正在开发新的结构概念，但气体扩散层通常由碳纤维制成，并由大孔基材和微孔层组成。与气流通道接触的一侧用作气体分配器和集电器。气体扩散层包含碳粉和疏水剂并管理两相水流，材料的厚度在150-350um范围内，孔隙率在0.75和0.9之间，直径在微米数量级，并且具有通过用聚浸渍而设定的润湿性。
专利CN201680064066.4和CN201280023067.6公开了燃料电池用气体扩散层，使用导电性粒子和树脂作为主要成分，经过混炼工序和压延工序构建气体扩散层，得到的气体扩散层具有纳米级细孔和微米级的大孔。
专利200510047370.1、200610047931.2、200710019376.7、201310692107.2、201811049161.4和202110320469.3等均是导电材料和憎水材料分散到有机溶剂中，通过调配得到预制浆液，通过刷涂或喷涂工艺附着于碳纸材料表面，形成微孔层。
专利201811049161.4和201910404858.7是将导电材料和憎水剂制备成适合静电纺丝的浆液，使用静电纺丝技术在支撑体上进行静电纺丝，得到预制体，将得到的预制体进行高温退火，得到燃料电池用气体扩散层。
相对于传统的刷涂或喷涂方法，静电纺丝法可以提高导电材料在支撑体上分布的均匀性，但是导电材料和憎水材料仍然处于无序分布，影响了气体传输和液态水排出效果，因此需要提出一种新的制备方法，可以增强气体扩散层微孔层的均匀性，提高微孔层憎水性，提高膜电极性能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法，解决上述背景技术中提出的问题。
本发明通过以下的技术方案实现：一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、聚丙烯腈纤维预氧化及碳化：将静电纺丝得到的聚丙烯腈纤维在氧化性气氛环境下，200度温度区间内处理20分钟，再在300度温度区间内处理15分钟，得到经过预氧化的聚丙烯腈纤维，再在惰性气体保护下，经过800-1200度高温处理4小时，得到碳纤维膜；
步骤B、制备燃料电池气体扩散层微孔层：将步骤一中得到的碳纤维膜与碳纸紧贴，在130度0.3Mpa的压力下，热压5分钟，得到附有气体扩散层的微孔层。
作为一优选的实施方式，所述的步骤A中过渡氧化性气氛为臭氧、氧气或者空气的等一种或多种。
作为一优选的实施方式，所述的步骤A中预氧化过程采用一个或者多个温区处理。
作为一优选的实施方式，所述的步骤A中惰性气体为氮气、氩气等一种或多种。
作为一优选的实施方式，所述的步骤A中高温为800，1000或1200度。
作为一优选的实施方式，所述的步骤B中碳纸为TGP-H-060、GDS090、EP40T或24AA。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：一方面可以增强气体扩散层微孔层的均匀性，提高气体传输效率；另一方面改变碳化温度提高微孔层憎水性，提高膜电极高电流密度下传质效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是商用、实施例1、实施例2与实施例3的带有微孔层的气体扩散层低电流密度下极化曲线；
图2是商用、实施例1、实施例2与实施例3的带有微孔层的气体扩散层测试极化曲线；
图3是商用、实施例1、实施例2与实施例3的带有微孔层的气体扩散层燃料电池测试内阻随电流密度的变化。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法，包括如下步骤：
步骤A、聚丙烯腈纤维预氧化及碳化：将静电纺丝得到的聚丙烯腈纤维在氧化性气氛环境下，200度温度区间内处理20分钟，再在300度温度区间内处理15分钟，得到经过预氧化的聚丙烯腈纤维，再在惰性气体保护下，经过800-1200度高温处理4小时，得到碳纤维膜；
步骤B、制备燃料电池气体扩散层微孔层：将步骤一中得到的碳纤维膜与碳纸紧贴，在130度0.3Mpa的压力下，热压5分钟，得到附有气体扩散层的微孔层。
作为本发明的一个实施例：实施例一：
800度热解聚丙烯腈纤维制备微孔层：
1.将静电纺丝得到的聚丙烯腈纤维支撑固定在玻璃片上，在氧气氛围下，200度处理20分钟，再在300度下保温15分钟，得到经过预氧化的聚丙烯腈纤维。再在氩气保护下，20度每分钟升温至800度处理4小时，得到碳纤维膜。
2将步骤一中得到的800度热解碳纤维膜与碳纸24AA紧贴，在130度0.3Mpa的压力下，热压5分钟，得到附有扩散层的碳纸。
实施例二：
1000度热解聚丙烯腈纤维制备微孔层：
1.将静电纺丝得到的聚丙烯腈纤维支撑固定在玻璃片上，在氧气氛围下，200度处理20分钟，再在300度下保温15分钟，得到经过预氧化的聚丙烯腈纤维。再在氩气保护下，20度每分钟升温至1000度处理4小时，得到碳纤维膜。
2将步骤一中得到的1000度热解碳纤维膜与碳纸24AA紧贴，在130度0.3Mpa的压力下，热压5分钟，得到附有扩散层的碳纸。
实施例三：
1200度热解聚丙烯腈纤维制备微孔层：
1.将静电纺丝得到的聚丙烯腈纤维支撑固定在玻璃片上，在氧气氛围下，200度处理20分钟，再在300度下保温15分钟，得到经过预氧化的聚丙烯腈纤维。再在氩气保护下，20度每分钟升温至1200度处理4小时，得到碳纤维膜。
2将步骤一中得到的1200度热解碳纤维膜与碳纸24AA紧贴，在130度0.3Mpa的压力下，热压5分钟，得到附有扩散层的碳纸。
燃料电池膜电极测试步骤如下：
采用本发明所提供的不同温度下热解聚丙烯腈纤维制备的燃料电池气体扩散层微孔层，构建多个燃料电池膜电极测试方法为：将一定比例的商用催化剂、异丙醇、水和Nafion溶液配制成均匀的墨水，取一定量的墨水喷涂在质子交换膜表面，干燥后与碳纸及所述微孔层组装成全电池，进行燃料电池膜电极测试。
通过对商用、实施例1、实施例2与实施例3的带有微孔层的气体扩散层，发现实施例1、实施例2与实施例3中制备的带有气体扩散层的气体扩散层在燃料电池测试过程中表现出更好的传质效率，由图1可知，低电流密度下实施例1、实施例2与实施例3都具有带有均匀的微孔层的气体扩散层，因此表现出更好的催化性能，在图2的高电流密度下，由于实施例3中碳纤维表面疏水性更强，膜电极高电流密度下传质效率显著提高，表现出更好的催化性能。
对不同电位下膜电极内阻进行分析，如图3所示，实施例1、实施例2与实施例3得到的气体扩散层在不同电流密度下都表现出较低的阻抗，尤其是在传质极化占据主导地位的高电流密度下，实施例1、实施例2与实施例3的内阻显著低于商业气体扩散层，这是由于实施例1、实施例2与实施例3的碳纤维表面具有很强的疏水性，提高膜电极高电流密度下传质效率，其中实施例3的疏水性最强，表现出最低的阻抗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A、聚丙烯腈纤维预氧化及碳化：将静电纺丝得到的聚丙烯腈纤维在氧化性气氛环境下，200度温度区间内处理20分钟，再在300度温度区间内处理15分钟，得到经过预氧化的聚丙烯腈纤维，再在惰性气体保护下，经过800-1200度高温处理4小时，得到碳纤维膜；
步骤B、制备燃料电池气体扩散层微孔层：将步骤一中得到的碳纤维膜与碳纸紧贴，在130度0.3Mpa的压力下，热压5分钟，得到附有气体扩散层的微孔层。
2.如权利要求1所述的一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征在于：所述的步骤A中过渡氧化性气氛为臭氧、氧气或者空气的等一种或多种。
3.如权利要求1所述的一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征在于：所述的步骤A中预氧化过程采用一个或者多个温区处理。
4.如权利要求1所述的一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征在于：所述的步骤A中惰性气体为氮气、氩气等一种或多种。
5.如权利要求1所述的一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征在于：所述的步骤A中高温为800，1000或1200度。
6.如权利要求1所述的一种氢燃料电池气体扩散层中微孔层的制备方法，其特征在于：所述的步骤B中碳纸为TGP-H-060、GDS090、EP40T或24AA。
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