专利名称：一种燃料电池多孔基层的疏水化处理方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池多孔基层的疏水化处理方法。
背景技术：
质子交换膜燃料电池作为一种新型的发电技术，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。气体扩散层(GDL)是质子 交换膜燃料电池的重要组成部分， 一般将其放置在燃料电池中的催化电极和流场通道之间， 它们为反应物和产物提供渗透性、导电性和导热性以及燃料电池正常工作所需的机械强度。 在PEMFC中最广泛使用的扩散层介质是碳纤维材料，如无纺布、碳布、石墨化的碳纤维纸， 虽然碳纤维本身是相对疏水的，但是常常需要提高其疏水性或者至少用更加稳定的疏水涂层 来处理所述碳纤维，以在扩散层内生成两种通道憎水的反应气体通道和亲水的液态水传递 通道。向碳纤维扩散层加入疏水剂如聚四氟乙烯(PTFE)是用来提高疏水性的常用方法。
PTFE的加入有多种方式，通常是采用将基底材料浸渍到一定浓度的PTFE水溶液中一段时 间，取出后自然滴干、晾干，去除其中的水。反复进行数次上述浸泡-干燥过程，直至PTFE 含量达到设定值，然后移至烘箱中慢慢烘干，最后于35(TC烧结，使PTFE熔融同时除去表面 活性剂，PTFE熔融形成PTFE膜覆盖于碳纤维表面，实现碳纸的疏水性。这种方法简单易行， 但需要进行反复浸泡-干燥过程，浪费时间。
美国专利US5137754公开了一种新的憎水处理方法，将平均分子量为250000的聚乙烯溶 于庚烷中，配成一种成膜溶液，将基底材料，如碳纤维纸浸入其中，待庚烷挥发后在碳纸上 形成质量分数为5。/。的PE涂层，然后将这种具有聚乙烯涂层的碳纸放入不锈钢反应器中，在室 温条件、含10。/。氩气的氟气气氛中氟化约30min，获得性能优异的憎水材料。通过实验比较发 现用这种憎水处理方法比用PTFE乳液浸渍的方法制得的憎水材料的憎水性能更好。但是这种 方法工艺过程比较复杂。另一种由日本丰田研究所发明的憎水处理方法是将基底材料暴露在一种经等离子体处理 过的碳氟化合物气体中，使表面沉积一层憎水材料。然而这种方法需要特别设计大型设备， 不适合大规模生产。
因此，需要一种简单、快速、可以控制憎水剂上载量的方法，并且用此方法处理的碳纤 维材料的疏水性能良好、稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池多孔基层的疏水化处理方法，具有简单、快速、憎 水剂上载量可控等特点，并且由此制备的气体扩散层的疏水性能稳定。
其具体技术方案如下 一种燃料电池多孔基层的疏水化处理方法，包括 如下步骤
1) 将多孔基层浸入l^ 8wt^的疏水溶液中，充分浸润10s 5min后，取出，干燥；
2) 将干燥后的多孔基层置于烘箱中，于30(TC 40(TC下烧结，疏水溶液的上载量是1% 14wt%。
所述的多孔基层可以是碳纸或碳布。
所述的疏水溶液主要由疏水组分构成，所述的疏水组分可以是含氟聚合物，如聚四氟乙 烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)或氟化聚合物，也可以是任何其他适 合的疏水性材料或其组合。
根据多孔基层材料疏水性能的要求，配制合适浓度的疏水溶液，多孔基层的浸渍次数以 及最终疏水组分的上载量直接取决于溶液浓度。当所述的疏水溶液的浓度低于1 wt %时，则 同样的上载量需要多次浸渍， 一定程度上造成了时间上的浪费；当所述的疏水溶液的浓度高 于8wt^时，则同样的浸渍次数下，疏水组分的上载量较难控制。
所述的多孔基层在疏水溶液中的浸渍时间若小于10s，浸渍不均匀，若大于5min，则由 于其很快达到饱和，浸渍时间过长对单次浸渍量并无影响， 一定程度上造成了时间上的浪费
步骤l)所述的干燥可以是通过45 8(TC的吹风机的热风吹干、自然晾干、或在45 150 °C下用鼓风烘箱或红外加热器烘干。
将干燥后的多孔基层进行烧结，是为了除去疏水溶液中的表面活性剂成分，实现多孔基 层的疏水性。
与现有技术相比，本发明的燃料电池多孔基层的疏水化处理方法简单、快速、憎水剂上 载量可控，并且由此制备的气体扩散层的疏水性能稳定。
图l是本发明的疏水处理前后的碳纸接触角比较图； 图2是本发明的疏水溶液的浓度与上载量之间的关系示意图。
具体实施例方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明，但不限于本 实施例的内容。 实施例l
配制浓度为lwt。/。的PTFE乳液，将TGP-H-060碳纸浸入该溶液中，充分浸润10s后，取出， 通过45。C的吹风机的热风吹干，然后置于烘箱中在30(TC下烧结30min， PTFE的上载量为2wt %;碳纸疏水化处理前后的接触角比较如图l所示。
实施例2
配制浓度为3. 5wt"/。的PVDF溶液，将碳布浸入该溶液中，充分浸润5min后，取出，自然晾 干后，置于烘箱中在400。C下烧结30min， PVDF的上载量为6. 5wt%。 实施例3
配制浓度为3. Owt。/。的PVF溶液，将碳布浸入该溶液中，充分浸润lmin后，取出，在15(TC 下用鼓风烘箱烘干，然后置于烘箱中在35(TC下烧结30min， PVF的上载量为6. Owt% 。 实施例4
配制浓度为8wt。/。的PTFE乳液，将TGP-H-060碳纸浸入该溶液中，充分浸润2min后，取出 ，在10(TC下用红外加热器烘干，然后置于烘箱中在35(TC下烧结30min， PTFE的上载量为 14wt%。
实施例5
配制浓度为5. Owt。/。的PTFE乳液，将TGP-H-060碳纸浸入该溶液中，充分浸润2min后，取 出，通过8(TC的吹风机的热风吹干，然后置于烘箱中在32(TC下烧结30min， PTFE的上载量为 9wt % 。
实施例6
配制浓度为6. Owt。/。的PTFE乳液，将碳布浸入该溶液中，充分浸润30s后，取出，在45。C 下用鼓风烘箱烘干，然后置于烘箱中在40(TC下烧结30min， PTFE的上载量为13wt^。实施例7
配制浓度为3. 6wt。/。的PTFE乳液，将TGP-H-090碳纸浸入该溶液中，充分润湿40s后，取出 ，通过6(TC的吹风机的热风吹干，然后再一次浸入该溶液中，充分浸润20s，取出，吹干， 最后置于烘箱中在380。C下烧结30min， PTFE上载量为13wt0/。。
实施例8
配制浓度为3. Owt。/。的PTFE乳液，将TGP-H-090碳纸浸入该溶液中，充分浸润30s后，取出 ，在9(TC下用红外加热器烘干，重复浸润、烘干3次，然后置于烘箱中在38(TC下烧结30min ，PTFE上载量为14wt0/。。
权利要求
1.一种燃料电池多孔基层的疏水化处理方法，其特征在于包括如下步骤1)将多孔基层浸入1％～8wt％的疏水溶液中，充分浸润10s～5min后，取出，干燥；2)将干燥后的多孔基层置于烘箱中，于300℃～400℃下烧结，疏水溶液的上载量是1％～14wt％。
2 根据权利要求l所述的燃料电池多孔基层的疏水化处理方法，其特 征在于所述的多孔基层是碳纸或碳布。
3 根据权利要求l所述的燃料电池多孔基层的疏水化处理方法，其特 征在于所述的疏水溶液主要由疏水组分构成。
4 根据权利要求3所述的燃料电池多孔基层的疏水化处理方法，其特 征在于所述的疏水组分是含氟聚合物。
5 根据权利要求4所述的燃料电池多孔基层的疏水化处理方法，其特 征在于所述的含氟聚合物为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF) 、氟化聚合物中的一种或几种的混合物。
6 根据权利要求l所述的燃料电池多孔基层的疏水化处理方法，其特 征在于步骤l)所述的干燥是通过45 8(TC的吹风机的热风吹干、自然晾干、或在45 15(TC 下用鼓风烘箱或红外加热器烘干。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池多孔基层的疏水化处理方法，包括将多孔基层浸入1％～8wt％的疏水溶液中，充分润湿10s～5min后，取出，干燥，然后将干燥的多孔基层置于烘箱中，于300℃～400℃下烧结，疏水溶液的上载量是1％～14wt％。本发明具有简单、快速、憎水剂上载量可控等特点，并且由此制备的气体扩散层的疏水性能稳定。
文档编号H01M4/88GK101587953SQ20081030172
公开日2009年11月25日 申请日期2008年5月23日 优先权日2008年5月23日
发明者王磊磊, 白玉霞, 钢 肖 申请人:汉能科技有限公司