專(zhuān)利名稱：一種低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫燃料電池，具體地說(shuō)是一種低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層及其制備方法。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，近年來(lái)成為各國(guó)研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。其核心部件膜電極三合一(MEA)通常由氣體擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜通過(guò)熱壓工藝制備而成。氣體擴(kuò)散層由導(dǎo)電的多孔材料組成，起到支撐催化層，收集電流與傳導(dǎo)氣體和排出水等多重作用。實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)氣體和產(chǎn)物水在流場(chǎng)和催化層之間的再分配，是影響電極性能的關(guān)鍵部件之一。
氣體擴(kuò)散層通常由基底層和微孔層組成。基底層通常使用多孔的碳紙、碳布，其厚度約為100～400μm，它主要起支撐微孔層和催化層的作用。微孔層通常是為了改善基底層的孔隙結(jié)構(gòu)而在其表面制作的一層碳粉層，其厚度約為10～100μm，其主要作用是降低催化層和基底層之間的接觸電阻，使氣體和水發(fā)生再分配，防止電極催化層“水淹”，同時(shí)防止催化層在制備過(guò)程中滲漏到基底層。氣體擴(kuò)散通道是由經(jīng)過(guò)憎水處理的憎水性的孔道充當(dāng)，PTFE是常用的憎水劑，而未經(jīng)憎水處理的親水性的孔道充當(dāng)產(chǎn)物水的傳遞通道。由于作為擴(kuò)散層基底的碳紙或碳布以及微孔層的碳粉都具有良好的導(dǎo)電性，從而可以完成電子傳導(dǎo)的任務(wù)。厚度是影響擴(kuò)散層性能的一個(gè)重要參數(shù)，擴(kuò)散層太厚，氣體傳遞路徑長(zhǎng)，增加了傳質(zhì)阻力，傳質(zhì)極化嚴(yán)重；如果擴(kuò)散層太薄，會(huì)發(fā)生催化劑滲漏到催化層的情況，縮小了三相反應(yīng)區(qū)，影響電極性能。另外從機(jī)械強(qiáng)度的角度看，太薄的擴(kuò)散層在電池組裝力的作用下容易發(fā)生孔結(jié)構(gòu)的破壞。理想的擴(kuò)散層應(yīng)滿足三個(gè)條件良好的排水性；良好的透氣性；良好的導(dǎo)電性。擴(kuò)散層的制備工藝，各組成成分的含量等因素都直接影響擴(kuò)散層的性能，進(jìn)而影響電極的整體性能。
制備微孔層時(shí)所采用的導(dǎo)電碳材料由于比表面積、孔分布、粒徑、導(dǎo)電性、表面性質(zhì)等物理性質(zhì)的不同，對(duì)制備的擴(kuò)散層的性能有很大影響。目前在質(zhì)子交換膜燃料電池中應(yīng)用比較廣泛的是Vulcan XC-72(R)和Acetylene Black兩種導(dǎo)電碳黑。一般Acetylene Black的比表面積約50～70m2/g，粒徑約40～50nm，VulcanXC-72R的比表面積約250m2/g，粒徑約30nm。
Jordan等人(文獻(xiàn)1“Diffusion layer parameters influencing optimal fuel cellperformance”，J Power Sources，86(2000)，250-254)較了Vulcan XC-72R和AcetyleneBlack兩種碳粉制備的擴(kuò)散層，后者與前者相比電極性能提高了15％。
Passalacqua等人(文獻(xiàn)2“Effects of the diffusion layer characteristics on theperformance of polymer electrolyte fuel cell electrodes”，J Appl Electrochem，31(2001)，449-454)對(duì)由Acetylene Black和Vulcan XC-72制備的兩種擴(kuò)散層進(jìn)行了孔隙率測(cè)試，發(fā)現(xiàn)由Acetylene Black制備的擴(kuò)散層的孔體積大(約0.594cm3/g)而由VulcanXC-72制備的擴(kuò)散層的孔體積只有0.489cm3/g，這樣的結(jié)構(gòu)提高了氣體傳遞能力，加強(qiáng)了傳質(zhì)。Vulcan XC-72(R)由于粒徑小，由其制備的擴(kuò)散層用于氣體傳遞的大孔少，所以在高電流密度區(qū)，電極因傳質(zhì)極化加劇而性能下降。對(duì)于Acetylene Black因粒徑大、比表面積低、孔體積小，由其制備的擴(kuò)散層氣體傳質(zhì)能力得到加強(qiáng)，但是由于微孔體積小，高電流密度區(qū)液態(tài)水的排出受到限制，也會(huì)影響電極性能。
Antolini等人(文獻(xiàn)2“Effects of the carbon powder characteristics in the cathodegas diffusion layer on the performance of polymer electrolyte fuel cells”，J PowerSources，109(2002)，477～482)的實(shí)驗(yàn)是在靠近催化層一側(cè)用Vulcan XC-72R制備微孔層，在靠近氣體側(cè)用Shawinigan Acetylene Black(SAB)制備微孔層，這樣的擴(kuò)散層結(jié)構(gòu)提高了電極的性能。因?yàn)閂ulcan XC-72R型碳粉的大孔孔隙度高，能使部分催化劑進(jìn)入其中，提高了催化劑的使用面積，拓展了三維反應(yīng)區(qū)。而在氣體側(cè)為防止產(chǎn)物水阻塞通道，擴(kuò)散層應(yīng)該具有較高的孔隙度，用SAB制備的微孔層正是具有較高的總孔隙度和較低的微孔隙度，能有效防止氣態(tài)水在傳遞通道中凝聚，加強(qiáng)了水管理，從而提高了高電流密度時(shí)電極的性能。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理考慮了氣體擴(kuò)散層兩側(cè)對(duì)氣、水傳遞的不同要求。但是實(shí)際情況是在整個(gè)擴(kuò)散層內(nèi)部是兩相流共存的，即氣體和液態(tài)水是同時(shí)存在的，單一類(lèi)型的碳粉結(jié)構(gòu)制造出來(lái)的孔結(jié)構(gòu)也是單一的，所以傳質(zhì)極化問(wèn)題依然很?chē)?yán)重。
綜上所述，目前微孔層的制備多采用單一類(lèi)型導(dǎo)電碳材料，這樣制備的擴(kuò)散層的孔結(jié)構(gòu)不是最佳，親/疏水性還需調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
對(duì)于擴(kuò)散層來(lái)說(shuō)，要保證良好導(dǎo)電性，降低歐姆極化損失；要具有合理的孔結(jié)構(gòu)包括總孔隙率、孔分布和親/疏水孔比例保證高效的傳質(zhì)，降低傳質(zhì)極化損失。一般擴(kuò)散層內(nèi)的液態(tài)水傳遞有蒸發(fā)、氣體夾帶等途徑，而主要是依靠毛細(xì)力牽引。根據(jù)開(kāi)爾文方程，孔徑越小，毛細(xì)力越大，液態(tài)水的傳遞能力越強(qiáng)。而對(duì)于擴(kuò)散層內(nèi)的氣體傳遞主要是擴(kuò)散，也存在部分的對(duì)流，孔徑越大，自由擴(kuò)散越容易，氣體傳質(zhì)越好。本發(fā)明基于制造既利于液態(tài)水排出又利于氣體傳遞兩種孔的思想，提出了采用由物理性質(zhì)不同的導(dǎo)電材料構(gòu)成的復(fù)合材料制備微孔層的方法。
本發(fā)明的目的在于提供一種既有利于氣體傳遞又利于產(chǎn)物液態(tài)水排出的雙功能氣體擴(kuò)散層，該氣體擴(kuò)散層具有適宜的親/疏水性能，合理的孔分布和良好的導(dǎo)電性。雙功能的孔道設(shè)計(jì)加強(qiáng)了擴(kuò)散層內(nèi)的傳質(zhì)能力，提高了電極性能。
一種低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層，由基底層和微孔層組成，所述微孔層由二種或二種以上導(dǎo)電碳材料混合而成。
所述導(dǎo)電碳材料為導(dǎo)電碳黑、碳纖維、活性碳、碳納米管、碳納米纖維、碳微球或石墨粉等；所述導(dǎo)電碳材料為物理性質(zhì)不同的導(dǎo)電碳材料，其中第一類(lèi)為粒徑大30～100nm、比表面積小10～300m2/g(較好為粒徑40～60nm、比表面積50～150m2/g)的導(dǎo)電碳材料；第二類(lèi)為粒徑小5～50nm、比表面積大100～3000m2/g(較好為粒徑10～20nm、比表面積800～2000m2/g)的導(dǎo)電碳材料；氣體擴(kuò)散層的微孔層中總的導(dǎo)電碳材料擔(dān)量為0.1～5.0mg/cm2，較好為0.5～3.0mg/cm2，最好為1.0～2.0mg/cm2；所述第二類(lèi)粒徑小、比表面積大的導(dǎo)電碳材料于總體導(dǎo)電碳材料中的質(zhì)量百分含量為5～50wt.％，較好為5～30wt.％，最好為10～20wt.％。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種制備雙功能氣體擴(kuò)散層的方法，該方法成本低廉，工藝流程簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)。
低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層的制備方法為按比例取二種或二種以上導(dǎo)電碳材料均勻混合成復(fù)合導(dǎo)電材料，將該復(fù)合導(dǎo)電材料與憎水劑在溶劑中分散均勻，形成漿料；將此漿料均勻的制備到經(jīng)過(guò)憎水處理的多孔導(dǎo)電基底的一側(cè)或兩側(cè)；最后經(jīng)過(guò)熱處理形成氣體擴(kuò)散層。
所述憎水劑為含氟聚和物，如包括聚四氟乙烯(PTFE)，偏四氟乙烯(PVDF)，聚四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚(PFA)，氟化乙丙烯(FEP)或乙烯/四氟乙烯共聚物樹(shù)脂(ETFE)；氣體擴(kuò)散層的微孔層中憎水劑的用量為憎水劑和導(dǎo)電碳材料總量的5～50wt.％，較好為10～40wt.％，最好為20～30wt.％；所述熱處理過(guò)程為150～280℃加熱10～100分鐘，然后在300～400℃焙燒10～100分鐘；所述氣體擴(kuò)散層的基底材料多孔導(dǎo)電材料中的碳紙或碳布，該碳紙或碳布經(jīng)憎水化處理，憎水劑用量為憎水劑和基底材料總量的5～50wt.％，較好在10～40wt.％，最好為10～20wt.％；所述氣體擴(kuò)散層的催化層側(cè)微孔層內(nèi)的復(fù)合導(dǎo)電材料用量為其總使用量的0～100％，最好是50％～70％，余量在流場(chǎng)側(cè)微孔層內(nèi)。
具體過(guò)程如下(1)將物理性質(zhì)如粒徑、比表面積、孔體積及表面性質(zhì)不同的導(dǎo)電碳材料按一定比例均勻混合成復(fù)合導(dǎo)電材料；所述的導(dǎo)電碳材料為導(dǎo)電碳黑，碳纖維，活性碳，碳納米管，碳納米纖維，碳微球，石墨粉；所述的形成復(fù)合導(dǎo)電材料的導(dǎo)電碳材料一類(lèi)為粒徑30～100nm，比表面積為10～300m2/g的導(dǎo)電碳材料；另一類(lèi)為粒徑5～50nm，比表面積100～3000m2/g的導(dǎo)電碳材料；復(fù)合導(dǎo)電材料中粒徑小、比表面積大的導(dǎo)電碳材料的質(zhì)量百分含量為5～50wt.％；(2)將復(fù)合導(dǎo)電材料分散于溶劑中，在超聲波中震蕩并充分?jǐn)嚢瑁?3)將憎水劑加入到充分分散地復(fù)合導(dǎo)電材料的懸浮液中，再充分?jǐn)嚢瑁瞥蓾{料；所述的憎水劑為含氟聚和物，包括聚四氟乙烯(PTFE)，偏四氟乙烯(PVDF)，PFA，氟化乙丙烯(FEP)，乙烯/四氟乙烯共聚物樹(shù)脂(ETFE)。憎水劑的用量為憎水劑和碳粉總量5～50wt.％；(4)將配好的漿料均勻的制備到經(jīng)過(guò)憎水處理的多孔導(dǎo)電基底材料的一側(cè)或兩側(cè)；所述的制備方法有噴涂、刮涂、抽慮和絲網(wǎng)印刷；多孔導(dǎo)電基底材料通常為碳紙或碳布；微孔層中總的復(fù)合導(dǎo)電材料擔(dān)量為0.1～5.0mg/cm2；催化層側(cè)微孔層內(nèi)的復(fù)合導(dǎo)電材料用量為其總使用量的0～100％，余量在流場(chǎng)側(cè)微孔層內(nèi)；(5)最后將制備有微孔層的氣體擴(kuò)散層置于高溫焙燒爐中熱處理。熱處理過(guò)程為150～280℃加熱10～100分鐘，然后在300～400℃焙燒10～100分鐘。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的特征在于利用所述的復(fù)合導(dǎo)電材料制備氣體擴(kuò)散層。由于組成復(fù)合導(dǎo)電材料的兩種導(dǎo)電碳材料的物理性質(zhì)不同，使得其堆積構(gòu)成的微孔通道的性質(zhì)也不同。粒徑小的碳粉易形成孔徑小的傳質(zhì)通道，毛細(xì)力較大，又由于孔體積大，易于容水，所以這種碳粉形成的通道多為親水通道，利于液態(tài)水在毛細(xì)力的作用下傳遞。而粒徑大的碳粉易形成孔徑大的通道，又由于孔體積小，不易產(chǎn)生水的凝聚，為氣體的傳遞提供了保證。復(fù)合導(dǎo)電材料的使用在一定程度上設(shè)計(jì)了導(dǎo)氣和導(dǎo)水兩種功能通道，提高了氣體擴(kuò)散層的傳質(zhì)能力，從而提高了電極性能。


圖1為本發(fā)明的復(fù)合導(dǎo)電材料制備擴(kuò)散層的表面形態(tài)的SEM照片；圖2為本發(fā)明的復(fù)合導(dǎo)電材料制備擴(kuò)散層的電極性能與單一導(dǎo)電材料制備擴(kuò)散層的電極性能比較；圖3為本發(fā)明的擴(kuò)散層兩側(cè)采用不同導(dǎo)電碳材料擔(dān)量的電極性能比較；圖4為本發(fā)明的不同配比的復(fù)合導(dǎo)電材料制備擴(kuò)散層的電極性能比較。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述，但是本發(fā)明不僅限于實(shí)施例。
實(shí)施例1取0.9g乙炔黑(～42nm，62m2/g)和0.1g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入50ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入4285.7mg10％PTFE乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PTFE在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于經(jīng)過(guò)憎水處理的碳紙兩側(cè)，基底層的PTFE含量為20wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量和流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量都為0.5mg/cm2，擴(kuò)散層記為(0.5/0.5)自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。將制好的陰、陽(yáng)極擴(kuò)散層置于帶有催化層的質(zhì)子傳導(dǎo)膜的兩側(cè)，在160℃，10.0MPa條件下，熱壓1min，制成膜電極三合一。將此膜電極三合一兩側(cè)分別加上陽(yáng)極和陰極流場(chǎng)板，集流板和端板構(gòu)成單電池。電池性能曲線參見(jiàn)圖2。
比較例1取1.0g乙炔黑(～42nm，62m2/g)，加入50ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入4285.7mg10％PTFE乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PTFE在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于經(jīng)過(guò)憎水處理的碳紙兩側(cè)，基底層的PTFE含量為20wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量和流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量都為0.5mg/cm2。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。電池性能曲線參見(jiàn)圖2。
比較例2取1.0g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)碳粉，加入50ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入4285.7mg10％PTFE乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PTFE在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于經(jīng)過(guò)憎水處理的碳紙兩側(cè)，基底層的PTFE含量為20wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量和流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量都為0.5mg/cm2。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。電池性能曲線參見(jiàn)圖2。
實(shí)施例2取0.9g乙炔黑(～42nm，62m2/g)和0.1g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入50ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入4285.7mg10％PTFE乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PTFE在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于經(jīng)過(guò)憎水處理的碳紙兩側(cè)，基底層的PTFE含量為20wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為0.7mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為0.3mg/cm2，擴(kuò)散層記為(0.7/0.3)。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。電池性能曲線參見(jiàn)圖3。
實(shí)施例3取0.9g乙炔黑(～42nm，62m2/g)和0.1g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入50ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入4285.7mg10％PTFE乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PTFE在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于經(jīng)過(guò)憎水處理的碳紙兩側(cè)，基底層的PTFE含量為20wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為1.0mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為0mg/cm2，擴(kuò)散層記為(1.0/0.0)。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。電池性能曲線參見(jiàn)圖3。
實(shí)施例4取0.8g乙炔黑(～42nm，62m2/g)和0.2g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入50ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入4285.7mg10％PTFE乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PTFE在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于經(jīng)過(guò)憎水處理的碳紙兩側(cè)，基底層的PTFE含量為20wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為0.7mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為0.3mg/cm2。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。電池性能曲線參見(jiàn)圖4。
實(shí)施例5取0.7g乙炔黑(～42nm，62m2/g)和0.3g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入50ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入4285.7mg10％PTFE乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PTFE在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于經(jīng)過(guò)憎水處理的碳紙兩側(cè)，基底層的PTFE含量為20wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為0.7mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為0.3mg/cm2。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。電池性能曲線參見(jiàn)圖4。
實(shí)施例6取3.8g碳納米管(～40nm管徑，70m2/g)和0.2g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入200ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入4.44g10％PTFE乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PTFE在碳粉中均勻分散，制成漿料，噴于經(jīng)過(guò)憎水處理的碳紙兩側(cè)，基底層的PTFE含量為5wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為0mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為4.0mg/cm2。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。
實(shí)施例7取1.6g碳納米管(～40nm管徑，70m2/g)和0.4g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入200ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入5.0g10％FEP乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得FEP在碳粉中均勻分散，制成漿料，通過(guò)抽濾的方法制備到經(jīng)過(guò)憎水處理的碳布兩側(cè)，基底層的FEP含量為10wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為0.6mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為2.4mg/cm2。自然晾干后，置于焙燒爐中，150℃加熱30分鐘，400℃焙燒30分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。
實(shí)施例8取2.4g Vulcan XC-72(～30nm，250m2/g)和0.6g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入200ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入3.0g10％PTFE乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PTFE在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于經(jīng)過(guò)憎水處理的碳紙兩側(cè)，基底層的PTFE含量為30wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為3.0mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為0mg/cm2。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。
實(shí)施例9取1.0g碳納米管(～40nm管徑，70m2/g)和1.0g KetjenBlack EC 300J(～36nm，750m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入200ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入20g10％PTFE乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PTFE在碳粉中均勻分散，制成漿料，通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方法制備到碳布兩側(cè)，基底層的PTFE含量為50wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為2.0mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為0mg/cm2。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱50分鐘，340℃焙燒30分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。
實(shí)施例10取0.09g乙炔黑(～42nm，62m2/g)和0.01g KetjenBlack EC 300J(～36nm，750m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入50ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入428.6mg10％PVDF乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PVDF在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于經(jīng)過(guò)憎水處理的碳紙兩側(cè)，基底層的PTFE含量為20wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為0.07mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為0.03mg/cm2。晾干后，置于焙燒爐中，150℃加熱100分鐘，400℃焙燒10分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。
實(shí)施例11取4.0g活性碳(～40nm，70m2/g)和1.0g Vulcan XC-72(～30nm，250m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入250ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入2.6g10％FEP乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得FEP在碳粉中均勻分散，制成漿料，通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方法制備到碳紙兩側(cè)，基底層的FEP含量為50wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為3.5mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為1.5mg/cm2。晾干后，置于焙燒爐中，280℃加熱10分鐘，400℃焙燒10分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。
實(shí)施例12取2.7g碳納米管(～40nm管徑，70m2/g)和0.3g KetjenBlack EC300J(～36nm，750m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入200ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入7.5g10％PFA乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PFA在碳粉中均勻分散，制成漿料，通過(guò)絲網(wǎng)印刷的方法制備到碳布兩側(cè)，基底層的PTFE含量為50wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為0.9mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為2.1mg/cm2。晾干后，置于焙燒爐中，200℃加熱30分鐘，350℃焙燒20分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。
實(shí)施例13取1.425g乙炔黑(～42nm，62m2/g)和0.075g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入50ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入3.75g10％PVDF乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PVDF在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于碳布兩側(cè)，基底層的PVDF含量為10wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為0.45mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為1.05mg/cm2。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。
實(shí)施例14取1.0g乙炔黑(～42nm，62m2/g)、1.0g碳納米管(～40nm管徑，70m2/g)和1.0g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入150ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入4g10％PVDF乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PVDF在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于碳布兩側(cè)，基底層的PVDF含量為10wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為1.5mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為1.5mg/cm2。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。
實(shí)施例15取1.0g乙炔黑(～42nm，62m2/g)、1.0g碳納米管(～40nm管徑，70m2/g)、0.5g Black Pearls 2000(～15nm，1500m2/g)和0.5g KetjenBlack EC 300J(～36nm，750m2/g)碳粉，充分研磨，均勻混合后，加入150ml乙醇溶液，超聲分散15min后，加入4g10％PVDF乳液，機(jī)械攪拌并超聲分散使得PVDF在碳粉中均勻分散，制成漿料，刮涂于碳布兩側(cè)，基底層的PVDF含量為10wt.％。其中催化層側(cè)碳粉擔(dān)量為1.5mg/cm2，流場(chǎng)側(cè)碳粉擔(dān)量為1.5mg/cm2。自然晾干后，置于焙燒爐中，240℃加熱40分鐘，340℃焙燒40分鐘。按照實(shí)施例1的方法組裝成單電池。
權(quán)利要求
1.一種低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層，由基底層和微孔層組成，其特征在于所述微孔層由二種或二種以上導(dǎo)電碳材料混合而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于所述導(dǎo)電碳材料為導(dǎo)電碳黑、碳纖維、活性碳、碳納米管、碳納米纖維、碳微球或石墨粉；所述導(dǎo)電碳材料為物理性質(zhì)不同的導(dǎo)電碳材料，其中第一類(lèi)為粒徑30～100nm、比表面積10～300m2/g的導(dǎo)電碳材料；第二類(lèi)為粒徑5～50nm、比表面積大100～3000m2/g的導(dǎo)電碳材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于所述第一類(lèi)為粒徑40～60nm、比表面積50～150m2/g的導(dǎo)電碳材料；第二類(lèi)為粒徑10～20nm、比表面積800～2000m2/g的導(dǎo)電碳材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于所述的氣體擴(kuò)散層的微孔層中總的導(dǎo)電碳材料擔(dān)量為0.1～5.0mg/cm2；所述第二類(lèi)粒徑小、比表面積大的導(dǎo)電碳材料于總體導(dǎo)電碳材料中的質(zhì)量百分含量為5～50wt.％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于所述的氣體擴(kuò)散層的微孔層中總的導(dǎo)電碳材料擔(dān)量為0.5～3.0mg/cm2；所述第二類(lèi)粒徑小、比表面積大的導(dǎo)電碳材料于總體導(dǎo)電碳材料中的質(zhì)量百分含量為5～30wt.％。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層，其特征在于所述的氣體擴(kuò)散層的微孔層中總的導(dǎo)電碳材料擔(dān)量為1.0～2.0mg/cm2；所述第二類(lèi)粒徑小、比表面積大的導(dǎo)電碳材料于總體導(dǎo)電碳材料中的質(zhì)量百分含量為10～20wt.％。
7.一種權(quán)利要求1所述低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層的制備方法，其特征在于按比例取二種或二種以上導(dǎo)電碳材料均勻混合成復(fù)合導(dǎo)電材料，將該復(fù)合導(dǎo)電材料與憎水劑在溶劑中分散均勻，形成漿料；將此漿料均勻的制備到經(jīng)過(guò)憎水處理的多孔導(dǎo)電基底的一側(cè)或兩側(cè)；最后經(jīng)過(guò)熱處理形成氣體擴(kuò)散層。所述憎水劑為含氟聚和物，氣體擴(kuò)散層的微孔層中憎水劑的用量為憎水劑和導(dǎo)電碳材料總量的5～50wt.％。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層的制備方法，其特征在于所述憎水劑為聚四氟乙烯，偏四氟乙烯，聚四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚，氟化乙丙烯或乙烯/四氟乙烯共聚物樹(shù)脂；氣體擴(kuò)散層的微孔層中憎水劑的用量為憎水劑和導(dǎo)電碳材料總量的10～40wt.％；所述熱處理過(guò)程為150～280℃加熱10～100分鐘，然后在300～400℃焙燒10～100分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層的制備方法，其特征在于所述氣體擴(kuò)散層的基底材料多孔導(dǎo)電材料中的碳紙或碳布，該碳紙或碳布經(jīng)憎水化處理，憎水劑用量為憎水劑和基底材料總量的5～50wt.％。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層的制備方法，其特征在于所述氣體擴(kuò)散層的催化層側(cè)微孔層內(nèi)的復(fù)合導(dǎo)電材料用量為其總使用量的0～100％，余量在流場(chǎng)側(cè)微孔層內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及低溫燃料電池，具體地說(shuō)是一種低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層及其制備方法；氣體擴(kuò)散層由基底層和微孔層組成，所述微孔層由二種或二種以上導(dǎo)電碳材料混合而成。低溫燃料電池用氣體擴(kuò)散層的制備方法為按比例取二種或二種以上導(dǎo)電碳材料均勻混合成復(fù)合導(dǎo)電材料，將該復(fù)合導(dǎo)電材料與憎水劑在溶劑中分散均勻，形成漿料；將此漿料均勻的制備到經(jīng)過(guò)憎水處理的多孔導(dǎo)電基底的一側(cè)或兩側(cè)；最后經(jīng)過(guò)熱處理形成氣體擴(kuò)散層。本發(fā)明氣體擴(kuò)散層由于采用復(fù)合導(dǎo)電材料制備微孔層，形成了既利于反應(yīng)氣體傳遞又利于液態(tài)水傳遞的雙功能孔結(jié)構(gòu)，提高了電池性能。
文檔編號(hào)H01M4/88GK1949570SQ200510047370
公開(kāi)日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月10日
發(fā)明者張華民, 王曉麗, 徐海峰, 張建魯, 衣寶廉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所