一種耐腐蝕燃料電池氣體擴(kuò)散層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種耐腐蝕燃料電池氣體擴(kuò)散層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)核心組件膜電極組件(MEA)由氣體擴(kuò)散層、催化層和質(zhì)子交換膜組成。氣體擴(kuò)散層(GDL)位于催化層和流場(chǎng)之間，其作用主要在于支撐催化層、收集電流，同時(shí)為反應(yīng)氣體和產(chǎn)物水的傳輸提供通道。
[0003]典型的氣體擴(kuò)散層通常由支撐層和微孔層構(gòu)成，支撐層是由碳纖維紙或碳布等多孔導(dǎo)電介質(zhì)材料構(gòu)成，而微孔層一般是由碳粉和憎水性的聚四氟乙烯(PTFE)構(gòu)成。氣體擴(kuò)散層的排水性能尤為重要，它影響反應(yīng)氣體的擴(kuò)散及產(chǎn)物水的排出，進(jìn)而影響電池的性能。申請(qǐng)?zhí)枮?U.S.5561000 的美國(guó)專利，申請(qǐng)?zhí)枮?96198611.5^98109696.4 及 200510018417.1的中國(guó)專利均認(rèn)為在支撐層靠近催化層的一側(cè)涂覆微孔層能夠有效地改善燃料電池內(nèi)部的水氣傳質(zhì)，進(jìn)而提高電池性能。然而，在質(zhì)子交換膜燃料電池長(zhǎng)期的運(yùn)行環(huán)境下，碳黑材料逐步發(fā)生氧化，使得微孔層逐漸變得親水，液態(tài)水駐留在孔隙中，增加傳質(zhì)極化，給氣體傳輸和分配帶來了不利的影響，進(jìn)而降低電池長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。
[0004]隨著人們把目光投向冷啟動(dòng)性能和低壓空氣電堆的壽命，氣體擴(kuò)散層的氣體傳輸和分配作用以及耐久性就突顯出重要性。具備良好耐久性的微孔層無疑將對(duì)燃料電池長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用，但是這一問題并未引起研究者的廣泛關(guān)注。申請(qǐng)?zhí)枮?01110182437.8的中國(guó)專利描述了在有機(jī)纖維布支撐體的兩側(cè)表面均涂覆由導(dǎo)電耐腐蝕材料和疏水劑構(gòu)成的混合材料層，從而提高支撐體的腐蝕性能。由此可見，微孔層的導(dǎo)電性和耐腐蝕性能對(duì)于保證微孔層性能的發(fā)揮及提高燃料電池長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性至關(guān)重要；但首先，微孔層需要具備適宜的親疏水性能，才能保證在其不同工作模式下的傳質(zhì)平衡。因此，從制備材料及工藝方面來提高燃料電池氣體擴(kuò)散層的耐久性勢(shì)在必行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了提高燃料電池氣體擴(kuò)散層的使用性能，本發(fā)明的目的在于提供一種耐腐蝕燃料電池氣體擴(kuò)散層的制備方法。通過在含有分散劑的水溶液中加入金屬氧化物納米粉體，進(jìn)而形成微孔層漿料，制備出耐腐蝕的氣體擴(kuò)散層，提高燃料電池氣體擴(kuò)散層的使用性能。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種耐腐蝕燃料電池氣體擴(kuò)散層的制備方法，包括以下步驟:
(1)將分散劑溶于去離子水中形成含有分散劑的水溶液，分散劑的濃度控制在質(zhì)量百分比為0.5% -5% ；
(2)將金屬氧化物納米粉體加入到步驟(I)所得含有分散劑的水溶液中，并機(jī)械攪拌
0.5-5小時(shí)，然后再超聲分散直至形成均勻的懸浮液(約需30~60分鐘)，其中，金屬氧化物納米粉體占懸浮液的質(zhì)量百分比為0.5%~8% ; (3)將憎水劑乳液加入到步驟(2)所得懸浮液中，攪拌均勻以形成微孔層漿料(約需5-25分鐘)，其中，憎水劑乳液為普通市售產(chǎn)品，因憎水劑乳液的固含量有多種，故添加量以憎水劑計(jì)，即憎水劑的含量為金屬氧化物納米粉體質(zhì)量的40/『32% ;
(4)將步驟(3)所得微孔層漿料均勻涂覆到支撐層的一側(cè)上，干燥并稱重，然后重復(fù)該步驟，直到微孔層的厚度達(dá)到1~15微米；
(5)在步驟(4)所得支撐層未涂覆微孔層漿料的一側(cè)噴涂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。~1%的憎水劑乳液，干燥并稱重，使憎水劑的擔(dān)載量達(dá)到支撐層質(zhì)量的0.5^5% ;然后置于充氮烘箱中，在溫度環(huán)境為300~380°C下燒結(jié)30~100分鐘，得到氣體擴(kuò)散層。
[0007]優(yōu)選地，所述分散劑是烷基酚聚氧乙烯醚(ΑΡΕ0)、脂肪醇聚氧乙烯醚(ΑΕ0)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物(ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、十二烷基硫酸鈉、直鏈烷基苯磺酸鹽和十二烷基琥珀酸中的一種或兩種以上的混合物。
[0008]優(yōu)選地，金屬氧化物粉體為二氧化錫、二氧化鈦、氧化鋅和氧化銦中的一種或兩種以上。
[0009]優(yōu)選地，金屬氧化物粉體為摻雜有銻、錳、鐵、鋁、氟、氯或氮的二氧化錫、二氧化鈦、氧化鋅和氧化銦中的一種或兩種以上。
[0010]優(yōu)選地，憎水劑的乳液為聚四氟乙烯(PTFE)乳液、四氟乙烯與六氟丙烯的共聚物(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)乳液、聚三氟氯乙烯(PCTFE)懸浮液中的一種或兩種以上。
[0011]優(yōu)選地，所述支撐層為碳纖維紙或碳纖維編織布。
[0012]進(jìn)一步，所述支撐層的孔隙率為30%~80%，厚度為100~250微米。
[0013]本發(fā)明的有益效果為:
(I)本發(fā)明所制備的氣體擴(kuò)散層，通過采用含有分散劑的水溶液作為分散介質(zhì)，提高了憎水劑乳液的分散效果，同時(shí)也克服了金屬氧化物納米粉體的團(tuán)聚，有效保證了微孔層漿料中導(dǎo)電材料和疏水材料分散均勻，進(jìn)而使其具備適宜的親疏水性能。
[0014](2)本發(fā)明所制備的氣體擴(kuò)散層，通過采用金屬氧化物粉體代替?zhèn)鹘y(tǒng)導(dǎo)電炭黑作為導(dǎo)電材料，提高了氣體擴(kuò)散層的耐腐蝕性和穩(wěn)定性。
[0015](3)本發(fā)明所制備的氣體擴(kuò)散層，其支撐層一側(cè)涂覆微孔層漿料，另一側(cè)噴涂低濃度的憎水劑乳液，通過微孔層漿料的厚度來衡量涂覆過程，較易操作實(shí)現(xiàn)，保證氣體擴(kuò)散層同時(shí)具有較好的耐腐蝕和導(dǎo)電性。
[0016](4)本發(fā)明所述的氣體擴(kuò)散層在良好的導(dǎo)電性能和透氣性能基礎(chǔ)上，提高了其微孔層的耐酸、耐高電位腐蝕性能及疏水穩(wěn)定性，降低了成本。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1~4的電池性能曲線圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例5與比較例I中氣體擴(kuò)散層的腐蝕電流-時(shí)間曲線；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例5與比較例I中氣體擴(kuò)散層的微孔層表面接觸角測(cè)試圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例5與比較例2的電池性能曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1
將聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于去離子水，PVP與去離子水的質(zhì)量比為1:1999 (即PVP占該溶液的質(zhì)量百分比為0.5%。);量取該溶液15毫升，向其中加入二氧化錫(SnO2)納米粉體和氧化銦(In2O3)納米粉體共75毫克(即Sn02& In 203納米粉體共占總?cè)芤旱馁|(zhì)量百分比為0.5%)，充分機(jī)械攪拌0.5小時(shí)，再超聲分散30分鐘，形成均勻的懸浮液；再向其中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚四氟乙烯(PTFE)乳液共30毫克(即PTFE的質(zhì)量為SnO^ In 203納米粉體總質(zhì)量的4%)，緩慢攪拌10分鐘，形成微孔層漿料；準(zhǔn)備孔隙率為30%、厚度為190微米的碳纖維紙為支撐層，將制備好的微孔層漿料用玻璃棒滾涂到碳纖維紙支撐層的一側(cè)，至干燥后微孔層的厚度為I微米，在碳纖維紙支撐層的另一側(cè)噴涂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%。的PTFE乳液，直至PTFE的擔(dān)載量為碳纖維紙支撐層質(zhì)量的1.5% ;將涂覆后的碳纖維紙支撐層置于80攝氏度的真空干燥箱中烘干，然后置于380攝氏度充氮烘箱中燒結(jié)30分鐘，得到燃料電池氣體擴(kuò)散層。
[0019]其中，Sn02& In2O3納米粉體均為普通市售產(chǎn)品，它們的純度均大于99.9%，粒徑為20~100納米，SnO；^ In2O3組成的金屬氧化物納米粉體中，SnO；^ In2O3的質(zhì)量比為10:90。
[0020]實(shí)施例2
將烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)溶于去離子水，APEO與去離子水的質(zhì)量比為1:666 (即APEO占該溶液的質(zhì)量百分比為1.5%);量取該溶液15毫升，向其中加入摻氟二氧化錫(FTO)納米粉體共464毫克(即FTO納米粉體占總?cè)芤旱馁|(zhì)量百分比為3%)，充分機(jī)械攪拌I小時(shí)，再超聲分散40分鐘，形成均勻的懸浮液；再向其中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的四氟乙烯與六氟丙烯的共聚物(FEP)乳液共462毫克(即FEP的質(zhì)量為FTO納米粉體質(zhì)量的10%)，緩慢攪拌15分鐘，形成微孔層漿料；準(zhǔn)備孔隙率為45%、厚度為200微米的碳纖維紙為支撐層，將制備好的微孔層漿料用玻璃棒滾涂到碳纖維紙支撐層的一側(cè)，至干燥后微孔層的厚度為5微米，在碳纖維紙支撐層的另一側(cè)噴涂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%。的FEP乳液，直至FEP的擔(dān)載量為碳纖維紙支撐層質(zhì)量的3% ;將涂覆后的碳纖維紙支撐層置于80攝氏度的真空干燥箱中烘干，然后置于300攝氏度充氮烘箱中燒結(jié)100分鐘，得到燃料電池氣體擴(kuò)散層。
[0021]其中，F(xiàn)TO納米粉體為普通市售產(chǎn)品，本實(shí)施例采用凱天星電光材料有限公司出售的納米級(jí)FTO粉體，其純度為99.99%，摻氟量為4%。
[0022]實(shí)施例3
將聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物(ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0)溶于去離子水，ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0與去離子水的質(zhì)量比為1:332 (即ΡΕ0-ΡΡ0-ΡΕ0占該溶液的質(zhì)量百分比為3%。);量取該溶液15毫升，向其中加入摻鋁二氧化鋅(AZO)納米粉體789毫克(即AZO納米粉體占總?cè)芤旱馁|(zhì)量百分比為5%)，充分機(jī)械攪拌I小時(shí)，再超聲分散50分鐘，形成均勾的懸浮液；再向其中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚偏氟乙烯(PVDF)乳液共1.58克(即PVDF的質(zhì)量為AZO納米粉體質(zhì)量的20%)，緩慢攪拌20分鐘至均勻，形成微孔層漿料；準(zhǔn)備孔隙率為60%、厚度為150微米的碳纖維紙為支撐層，將制備好的微孔層漿料用玻璃棒滾涂到碳纖維紙支撐層的一側(cè)，至干燥后微孔層的厚度為10微米，在碳纖維紙支撐層的另一側(cè)噴涂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的PVDF乳液，直至PVDF的擔(dān)載量為碳纖維紙支撐層質(zhì)量的5% ;將涂覆后的碳纖維紙支撐層置于80攝氏度的真空干燥箱中烘干，然后置于330攝氏度充氮烘箱中燒結(jié)80分鐘，得到燃料電池氣