碳化改性质子交换膜燃料电池的气体扩散层的方法

摘要

碳化改性质子交换膜燃料电池的气体扩散层的方法，它涉及一种制备质子交换膜燃料电池的气体扩散层的方法。本发明解决了高PTFE载量对气体传质的阻碍作用及降低碳纸电子电导率的缺点。本发明的方法的步骤如下：一、将碳纸浸泡在10～50wt.％的碳水化合物或碳氢聚合物的水溶液中30～80min，在50～80℃条件下干燥20～24h，然后在350～400℃、Ar气保护的条件下，在管式炉中烧结30～60min；二、重复操作步骤一一次；三、将碳化后的碳纸浸泡在5～20wt.％聚四氟乙烯乳液中10～30min，即得到碳纸碳化改性质子交换膜燃料电池气体扩散层。本发明得到的产品中聚四氟乙烯载量为10～20wt.％。本发明具有提高了电池气体扩散层电子电导率及孔隙率的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，属于质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种碳纸碳化改性的质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有功率密度高、启动快、环境友好的诸多优点，其小型化需要满足的要求包括常温启动、无维护工作、便携、氢气源便携易更换、氧电极采用空气自呼吸方式工作。

气体扩散层(Gas Diffusion Layer，GDL)在质子交换膜燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体输到催化层、排出反应产物水，以及催化层与双极板之间的电子传输通道等重要作用。另外，气体扩散层对电池内的水管理也起到十分重要的作用，水管理对于质子交换膜燃料电池是十分重要的，电池的加湿和电池内水的迁移都要通过气体扩散层来实现。对于燃料电池的阴极来说，有时会出现阴极生成水的过饱和现象，这样阴极催化层中的液态水会改变气体扩散层的有效孔隙，阻碍了氧气或空气向催化层的传质能力，即发生了阴极“水淹”现象，这也是质子交换膜燃料电池产生极限电流的根源。

对于自增湿质子交换膜燃料电池来说，由于阳极氢气没有加湿，需要阴极的电化学反应生成水反向扩散到阳极从而为阳极加湿，此时就需要增加阴极气体扩散层中碳纸的憎水性。碳纸的憎水处理是将碳纸浸泡于不同浓度的PTFE乳液中实现的，高的憎水性就需要高的碳纸PTFE载量，但高的PTFE载量(目前自增湿质子交换膜燃料电池阴极气体扩散层中碳纸上PTFE的载量为30～40％)往往带来两个主要的不良影响：

一、增加了气体扩散层的电子传输阻力。

二、过高的PTFE载量降低了气体扩散层的有效孔隙率，从而使阴极反应气传质受到严重影响。

综上，单纯靠增加PTFE载量来提高水的反向扩散能力必定要一定程度上降低电池的性能。

发明内容

为了解决高PTFE载量对气体传质的阻碍作用及降低碳纸电子电导率的缺点，本发明提供一种碳化改性质子交换膜燃料电池的气体扩散层的方法。本发明通过将碳纸碳化的办法，使得碳纤维之间的搭界处及“茎干”部位附着一层碳，然后将处理过的碳纸进行憎水处理，由于处理过的碳纸PTFE在较低含量时就可以较均匀的分布在碳纤维的各个部位，而PTFE最先粘附的搭界处先被碳附着，因此，憎水处理后碳纸的电子导电性下降幅度较小，且用较少的PTFE含量实现了气体扩散层较高的憎水性，增加了有效气体传输孔隙。

本发明碳化改性质子交换膜燃料电池的气体扩散层的方法是通过下述过程实现的：一、将碳纸浸泡在10～50wt.％的碳水化合物或碳氢聚合物的水溶液中30～80min，在50～80℃条件下干燥20～24h，然后在350～400℃、Ar气保护的条件下，在管式炉中烧结30～60min；二、重复操作步骤一一次；三、将碳化后的碳纸浸泡在5～20wt.％聚四氟乙烯乳液中10～30min，即得到碳化改性质子交换膜燃料电池的气体扩散层。与上述方法不同的是在步骤一中还可在干燥前除去碳纸表面的碳水化合物或碳氢聚合物的水溶液。

本发明得到的产品中聚四氟乙烯载量为10～20wt.％。

所述的碳水化合物为蔗糖、果糖、葡萄糖或麦芽糖。

所述的碳氢聚合物为聚乙烯醇。

除上述方法外，在实际应用的过程中还可以使用沥青、酚醛树脂高温烧结等方法使碳纸表面附着碳。

本发明的碳纸碳化改性质子交换膜燃料电池气体扩散层的优点：

1.对碳纸进行碳化处理，使碳纤维搭接处先附着一层碳，然后通过二次碳化的方法使碳纤维茎干表面附着碳，这样，碳纤维表面变的粗糙，粗糙的表面憎水性更好，更容易使PTFE均匀的附着在上面。

2.碳首先沉积在碳纤维搭接处，进而在碳纤维茎干处沉积，有利于提高碳纸的电子电导率。

3.由于碳化后碳纸表面粗糙，PTFE可以在碳纤维表面均匀分布，因此，在较低PTFE载量时，可获的较好的憎水性，本方法处理过的碳纸的憎水性在PTFE载量为10wt.％时与未处理碳纸PTFE载量为30％时相似。

4.常规方法中，为了获得较高的碳纸憎水性，要提高碳纸上PTFE的载量，这往往使的碳纸的孔隙率降低，影响了气体的传质，另外也降低了碳纸的电子电导率。而碳化处理后的碳纸，较低的PTFE载量避免了这些情况的发生，而不降低电池性能。

附图说明

图1是具体实施方式十三的经一次碳化后碳纸的SEM照片，图2是具体实施方式十三的经二次碳化后碳纸搭界处的SEM照片，图3是具体实施方式十三的经二次碳化后碳纸“茎干”部位的SEM照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式中碳化改性质子交换膜燃料电池的气体扩散层的方法的步骤如下：一、将碳纸浸泡在10～50wt.％的碳水化合物或碳氢聚合物的水溶液中30～80min，在50～80℃条件下干燥20～24h，然后在350～400℃、Ar气保护的条件下，在管式炉中烧结30～60min；二、重复操作步骤一一次；三、将碳化后的碳纸浸泡在5～20wt.％聚四氟乙烯乳液中10～30min，即得到碳化改性质子交换膜燃料电池的气体扩散层。

本实施方式中的碳纸为日本Toray公司生产的Toray TGP-H-060、TGP-H-090或TGP-H-120。本实施方式得到产品的聚四氟乙烯载量为10～20wt.％。本实施方式中气体扩散层的孔隙率为55～70％。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是在步骤一中在干燥前除去碳纸表面的碳水化合物或碳氢聚合物的水溶液。其它反应步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在步骤一中碳水化合物为蔗糖、果糖、葡萄糖或麦芽糖。其它反应步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在步骤一中碳水化合物为蔗糖。其它反应步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在步骤一中碳氢聚合物为聚乙烯醇。其它反应步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在步骤一中碳水化合物的水溶液的重量百分比浓度为15～25％。其它反应步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在步骤一中碳水化合物的水溶液的重量百分比浓度为20％。其它反应步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在步骤一中烧结温度为380～400℃。其它反应步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在步骤一中烧结温度为400℃。其它反应步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在步骤一中在400℃、Ar气保护的条件下，在管式炉中将干燥后的碳纸烧结30min。其它反应步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在步骤二中聚四氟乙烯乳液的重量百分比浓度为5～10％。其它反应步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是在步骤二中聚四氟乙烯乳液的重量百分比浓度为7％。其它反应步骤与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式十三：本实施方式中碳化改性质子交换膜燃料电池的气体扩散层的方法是通过下述反应实现的：一、将碳纸浸泡在20wt.％的蔗糖的水溶液中60min，在50℃条件下干燥24h，然后在400℃、Ar气保护的条件下，在管式炉中烧结30min；二、重复操作步骤一一次；三、将碳化后的碳纸浸泡在7wt.％聚四氟乙烯乳液中15min，即得到碳化改性质子交换膜燃料电池的气体扩散层。

由图1～3可见，通过一次碳化处理使碳纤维搭接处先附着一层碳，然后通过二次碳化的方法使碳纤维茎干表面附着碳，有利于提高碳纸的电子电导率；并且，使得碳纤维表面变的粗糙，粗糙的表面憎水性更好，更容易使PTFE均匀的附着在上面且PTFE可以在碳纤维表面均匀分布。

本实施方式得到产品聚四氟乙烯载量为10wt.％，使得碳纸的孔隙率达65～70％，有利于气体的传质和电子传输，从而提高了电池性能。