CN1331261C - 一种燃料电池用气体扩散层材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池用气体扩散层材料及制备方法，其特点是该材料由碳纤维毡、碳黑及粘结剂复合而成，其中碳纤维毡为基体，碳黑为填充相。气体扩散层材料的制备工艺为：先将碳黑用硝酸或盐酸浸泡，然后干燥，干燥后的碳黑与粘结剂溶液共混制备成混合液，再将碳纤维毡用混合液浸渍处理，平整处理及高温热处理，制成燃料电池气体扩散层材料。本法制备的燃料电池气体扩散层材料，不仅具有良好的单电池性能，而且生产成本十分低廉。

Description

一种燃料电池用气体扩散层材料及制备方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池用气体扩散层材料及其制备方法，特别涉及由碳纤维毡、碳黑及粘结剂复合而成的燃料电池用气体扩散层材料及制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种新型的能源处理方式，具有工作温度低、无污染、无腐蚀、比功率大、启动迅速等优点，已经成为能源领域研究的热点之一。在质子交换膜燃料电池中，气体扩散层(GDL)起着支撑催化剂层并为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道作用。因此，选用高性能的气体扩散层材料有利于改善电极的综合性能。
碳纤维纸是一种广泛应用于质子交换膜燃料电池电极中的气体扩散层材料，它不仅具有均匀的多孔质薄层结构，而且由于主要原料使用石墨化碳纤维，使得它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。目前国内的PEMFC研究单位基本上都是使用日本TORAY公司、德国SGL技术公司、加拿大Ballard公司或是E-Tek公司生产的碳纸。日本Teruaki等人将碳纤维、纸浆、有机纤维、有机高分子粘合剂四种物质混合，然后造纸；我国石油大学的汪树军、张伟等人采用纤维素、活化碳纤维和碳粉为原料制备了符合质子交换膜燃料电池电极扩散层要求的碳纤维复合纸。汪树军等人还采用另外一种方法制备了一种两面具有不同亲水性能的功能碳纸，它是由两层经湿法造纸技术成型后碳纸压制复合成型，再经碳化处理后制成。但是这些方法不可避免地会出现碳纤维纸表面产生皱纹，导致产物机械强度下降或碳纤维纸的体积密度不够大等问题。
王曙中、李灵忻等人将高碳纤维聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维切短，切短后的短高碳纤维的长度为0.5mm～5.0mm，其平均长度为1.0mm～3.0mm；选用质量浓度小于1％的聚乙烯醇或聚丙酰胺分散剂，把短高碳纤维分散于水相中，形成浆液原料，其中高碳纤维的质量含量在96％～99％之间，利用湿法造纸成型法制得碳纤维纸材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池用气体扩散层材料及其制备方法，特别是通过对碳纤维毡进行复合改性，制备出低成本且性能良好的气体扩散层材料。
本发明的一种燃料电池用气体扩散层材料，由碳纤维毡、碳黑及粘结剂复合而成，其中碳纤维毡与碳黑及粘结剂的质量比为0.1～1∶1∶1～30，优选0.2～0.5∶1∶1～5。所述的碳纤维毡为活性碳纤维毡或石墨碳纤维毡，厚度为100～200μm，孔隙率为50％以上，平均孔径为0.1-100μm；碳黑为活性碳或为导电碳黑，碳黑颗粒粒径为30～200nm；粘结剂为酚醛树脂、聚四氟乙烯或聚乙烯醇中的任一种。
本发明的气体扩散层材料的制备方法，按以下步骤进行：
第1、将碳黑放入0.5-2mol/L的硝酸或盐酸中处理2-6小时，其酸和碳黑的摩尔比例为大于5∶1，然后在90-100℃温度下干燥2-8小时，得到预处理的碳黑；
第2、将粘结剂在溶剂中溶解为粘结剂溶液，粘结剂与溶剂的质量比为1∶1-10：其具体制备方法是：如果粘结剂为酚醛树脂，则将酚醛树脂加入到无水乙醇中加热回流，使粘结剂完全溶解获得粘结剂溶液；如果粘结剂为聚四氟乙烯，则将聚四氟乙烯和无水乙醇放入高压釜中，在200-300℃温度和10-20MPa压力下溶解，或者直接使用商业化的聚四氟乙烯乳液；如果粘结剂为聚乙烯醇，则将聚乙烯醇加入到无水乙醇中加热回流，使粘结剂完全溶解获得粘结剂溶液；
第3、将步骤1预处理的碳黑与步骤2得到的粘结剂溶液混合，搅拌2-12小时，超声处理10～60分钟，其中粘结剂与固态碳黑的质量比例为1-30∶1，优选1～5∶1；
第4、将碳纤维毡紧固在聚脂框、铝框或不锈钢框上，并浸入碳黑与粘结剂混合溶液1-10秒钟，然后取出，晾干，其中碳纤维毡与碳黑和粘结剂的质量比为0.1～1∶1∶1～30，优选0.2～0.5∶1∶1～5；
第5、将步骤4浸了碳黑与粘结剂混合溶液的碳纤维毡在70-100℃温度下干燥0.5-4小时之后，脱去固定框，在平板式压机中热压，热压温度为120-150℃，时间为50-120秒钟；
第6、将热压平整后的碳纤维毡置入高温气氛炉中，通入N2气，在2000-2500℃高温下处理1-3小时，即得到用于燃料电池的气体扩散层材料。
与背景技术相比，本发明是以碳纤维毡为基体，碳黑为填充相，酚醛树脂、聚四氟乙烯或聚乙烯醇为粘接剂，采用液相浸渍法对碳纤维毡进行碳黑填充合成燃料电池用气体扩散层材料，其合成工艺简单，生产成本低廉，而且还具有良好的电池输出性能。
附图说明
附图1为本发明的燃料电池用气体扩散层材料的单电池性能曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
燃料电池用气体扩散层材料的制备，其步骤为：
1.取10g Vulcan XC72导电碳黑放入三口烧瓶中，加入浓度为1.5mol/L的盐酸1000mL，搅拌2小时，然后倒出，用布氏漏斗减压过滤，将过滤好的碳黑放入干燥箱中干燥，干燥的碳黑研磨成-200目的粉末；
取100g聚四氟乙烯颗粒放入高压釜中，加入250ml无水乙醇，在300℃温度和20MPa压力下溶解2小时；
2.将聚四氟乙烯乙醇溶液用无水乙醇稀释为10％的固体含量后，与处理好的碳黑按照聚四氟乙烯与碳黑质量比为1∶1加入三口烧瓶中，搅拌10小时，然后用超声波细胞粉碎机再对碳黑颗粒进行粉碎，使其分散均匀；
3.取10cm×10cm的石墨碳纤维毡，厚度为180μm，孔隙率为75％，平均孔径为20μm。将碳纤维毡粘结在铝框上，经固定后，浸入碳黑、酚醛树脂混合液中5秒钟，其碳纤维毡与碳黑、聚四氟乙烯的质量比为1∶1∶1，然后取出晾干，并在平板压机中热压，热压温度为120℃，时间为90秒钟。将热压平整后的碳纤维毡置于高温气氛炉中，通入N2，升温速率15℃/分钟，升温至2500℃后保温1小时，冷却后制得燃料电池用气体扩散层材料。
采用气体扩散层材料及自制燃料电池芯片CCM(catalyst coated membrane，Pt载量0.6mg/cm2)制备膜电极，在H2/Air常压、60℃下单电池测试结果见图1。
实施例2
燃料电池用气体扩散层材料的制备，其步骤为：
1.取15g Vulcan XC72导电碳黑放入三口烧瓶中加入浓度为2mol/L的盐酸1000ml，搅拌2小时，然后倒出，用布氏漏斗减压过滤，将过滤好的碳黑放入干燥箱中干燥，并研磨成-200目的粉末。
取150g酚醛树脂放入三口烧瓶中，加入200ml无水乙醇，加热搅拌，直到酚醛树脂全部溶解为止。
2.将酚醛树脂乙醇溶液用无水乙醇稀释为15％的固体含量后，与处理好的碳黑按照酚醛树脂与碳黑质量比为5∶1加入三口烧瓶中，搅拌12小时，然后用超声波细胞粉碎机再对碳黑颗粒进行粉碎，使其分散均匀。
3.取10cm×10cm的活性碳纤维毡，厚度为150μm，孔隙率为75％，平均孔径为20μm。将碳纤维毡粘结在不锈钢框上，经固定后，浸入碳黑、酚醛树脂混合液中10秒钟，其碳纤维毡与碳黑及其酚醛树脂的质量比为0.5∶1∶5，取出干燥。之后，将干燥的碳纤维毡放入平板压机中热压，热压温度为120℃，时间为120秒钟。将平整后的碳纤维毡置于高温气氛炉中，通入N2，升温速率15℃/分肿，温度升至2200℃后保温2小时，冷却后制得燃料电池用气体扩散层材料。
气体扩散层材料的单电池测试方法与实施例1相同，测试结果见图1。
实施例3
燃料电池用气体扩散层材料的制备，其步骤为：
1.取10g Vulcan XC72放入三口烧瓶中，加入浓度为2mol/L的盐酸1000ml，搅拌2小时，然后倒出，用布氏漏斗减压过滤，将过滤好的碳黑放入干燥箱中干燥，并研磨成-200目的粉末。
取100g聚乙烯醇放入三口烧瓶中，加入400ml无水乙醇，加热回流，使粘结剂完全溶解获得粘结剂溶液，聚乙烯醇与乙醇质量比＝1∶4。
2.将聚乙烯醇溶液稀释为15％的固体含量后，与处理好的碳黑按照聚乙烯醇与碳黑比例为30∶1加入三口烧瓶中，搅拌12小时，然后用超声波细胞粉碎机再对碳黑颗粒进行粉碎，使其分散均匀。
3.取10cm×10cm的活性碳纤维毡，厚度为150μm，孔隙率为75％，平均孔径为20μm。将碳纤维毡粘结在铝框上，固定后，浸入碳黑、聚乙烯醇混合液中10秒钟，其碳纤维毡与碳黑、聚乙烯醇的质量比为0.2∶1∶30，取出干燥。之后，将干燥的活性碳纤维毡放入平板压机中热压，热压温度为120℃，时间为120秒钟。将平整后的碳纤维毡置于高温气氛炉中，通入N2，升温速率15℃/分钟，温度升至2200℃后保温2小时，冷却后制得燃料电池用气体扩散层材料。
气体扩散层材料的单电池测试方法与实施例1相同，测试结果见图1。

Claims (4)

1、一种燃料电池用气体扩散层材料，其特征是该材料由碳纤维毡、碳黑及粘结剂复合而成，其碳纤维毡与碳黑及粘结剂的质量比为0.1～1∶1∶1～30，所述的碳纤维毡为活性碳纤维毡或石墨碳纤维毡，厚度为100～200μm，孔隙率为50％以上，平均孔径为0.1-100μm；碳黑为活性碳或为导电碳黑，碳黑颗粒粒径为30～200nm；粘结剂为酚醛树脂、聚四氟乙烯或聚乙烯醇中的任一种。
2、如权利要求1所述的气体扩散层材料，其特征是所述的碳纤维毡与碳黑及粘结剂的质量比为0.2～0.5∶1∶1～5。
3、权利要求1所述的气体扩散层材料的制备方法，其特征是按以下步骤进行：
第1、将碳黑放入0.5-2mol/L的硝酸或盐酸中酸处理2-6小时，其酸和碳黑的摩尔比例为大于5∶1，然后在90-100℃温度下干燥2-8小时，干燥的碳黑研磨成-200目的粉末，得到预处理的碳黑；
第2、将粘结剂在溶剂中溶解为粘结剂溶液，粘结剂与溶剂的质量比为1∶1-10，其具体制备方法是：如果粘结剂为酚醛树脂，则将酚醛树脂加入到无水乙醇中加热回流，使粘结剂完全溶解获得粘结剂溶液；如果粘结剂为聚四氟乙烯，则将聚四氟乙烯和无水乙醇放入高压釜中，在200-300℃温度和10-20MPa压力下溶解，或者直接使用商业化的聚四氟乙烯乳液；如果粘结剂为聚乙烯醇，则将聚乙烯醇加入到无水乙醇中加热回流，使粘结剂完全溶解获得粘结剂溶液；
第3、将步骤1预处理后的碳黑与步骤2得到的粘结剂溶液混合，搅拌2-12小时，超声处理10～60分钟，其中固态碳黑与粘结剂的质量比例为1∶1～30；
第4、将碳纤维毡紧固在聚脂框、铝框或不锈钢框上，并浸入碳黑与粘结剂混合溶液中1-10秒钟，然后取出，晾干，其中碳纤维毡与碳黑及粘结剂的质量比为0.1～1∶1∶1～30；
第5、将步骤4浸了碳黑与粘结剂混合溶液的碳纤维毡在70-100℃温度下干燥0.5-4小时之后，脱去固定框，在平板式压机中热压，热压温度为120-150℃，时间为50-120秒钟；
第6、将热压平整后的碳纤维毡置入高温气氛炉中，通入N2气，在2000-2500℃高温下处理1-3小时，即得到用于燃料电池的气体扩散层材料。
4、如权利要求3所述的气体扩散层材料的制备方法，其特征是步骤1预处理后的碳黑与步骤2得到的粘结剂溶液混合液中，固态碳黑与粘结剂的质量比例为1∶1～5。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8343452B2 (en) 2006-03-20 2013-01-01 GM Global Technology Operations LLC Acrylic fiber bonded carbon fiber paper as gas diffusion media for fuel cell
CN101635362B (zh) 2008-07-25 2012-03-28 清华大学 膜电极及采用该膜电极的燃料电池
CN101425583B (zh) * 2007-11-02 2011-06-08 清华大学 燃料电池膜电极及其制备方法
CN101752568B (zh) 2008-12-17 2012-06-20 清华大学 膜电极及采用该膜电极的生物燃料电池
US9077042B2 (en) 2008-07-25 2015-07-07 Tsinghua University Membrane electrode assembly and biofuel cell using the same
CN101752567B (zh) 2008-12-17 2012-09-19 清华大学 膜电极及采用该膜电极的燃料电池
JP4938133B2 (ja) 2008-10-31 2012-05-23 パナソニック株式会社 燃料電池用ガス拡散層及びその製造方法、膜電極接合体、並びに燃料電池
CN101591868B (zh) * 2009-06-23 2011-04-27 东华大学 用于质子交换膜燃料电池气体扩散层的碳纤维纸的制备
CN102110822B (zh) * 2009-12-25 2015-05-06 南京大学 一种气体扩散层及其制备方法和用途
CN106395814B (zh) * 2016-08-30 2018-04-10 浙江大维高新技术股份有限公司 一种电容去离子设备专用活性炭电极块的制备方法
CN109273724A (zh) * 2018-07-26 2019-01-25 同济大学 一种燃料电池气体扩散层及其制备方法
CN112609452A (zh) * 2020-12-15 2021-04-06 深圳市通用氢能科技有限公司 一种气体扩散层材料及制备方法
CN114551920A (zh) * 2022-02-21 2022-05-27 一汽解放汽车有限公司 一种气体扩散层浆液及其制备方法与应用
CN115000419A (zh) * 2022-04-27 2022-09-02 深圳市通用氢能科技有限公司 一种气体扩散层及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030194557A1 (en) * 2002-04-12 2003-10-16 Peter Wilde Carbon fiber electrode substrate for electrochemical cells

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030194557A1 (en) * 2002-04-12 2003-10-16 Peter Wilde Carbon fiber electrode substrate for electrochemical cells

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PEM燃料电池用气体扩散层材料研究进展 唐浩林，徐琴，木士春，潘牧，袁润章，谢春华，电池工业，第9卷第5期 2004 *
PEM燃料电池用气体扩散层材料研究进展 唐浩林，徐琴，木士春，潘牧，袁润章，谢春华，电池工业，第9卷第5期 2004;质子交换膜燃料电池电极用气体扩散层材料 黄乃科，王曙中，李灵忻，电源技术，第27卷第3期 2003 *
质子交换膜燃料电池电极用气体扩散层材料 黄乃科，王曙中，李灵忻，电源技术，第27卷第3期 2003 *

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