一种质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法。

背景技术：

随着化石能源的不断枯竭，寻找新的可替代能源已经迫在眉睫。由于质子交换膜燃料电池(pemfc)具有系统体积小、能量密度高和清洁无污染、无需复杂的空气供给及增湿系统等优点，得到业界的重视。质子交换膜燃料电池(pemfc)核心组件(mea)由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。气体扩散层(gdl)位于催化层和流场之间，其作用在于支撑催化层和稳定电极结构，同时还必须具备优异的透气性能以及将催化层产生的水分及时移除的功能。

典型的气体扩散层通常由基底层和微孔层构成，基底层是由碳纤维纸或碳编织布等多空导电介质材料构成，而微孔层一般是由碳粉和憎水性的聚四氟乙烯(ptfe)构成。目前，国内外燃料电池用的气体扩散层基底层包括碳纤维纸、碳编织布、碳纤维毡等。将基底层进行憎水和热处理后，在其表面制备微孔层。现时气体扩散层普遍使用的基底材料是碳纤维纸，然而，碳纤维纸的缺点是呈机械脆性，在电池装配压力、外界碰撞和反复拆装等情况下容易导致纤维断裂、基体开裂、纤维与基体界面剥落等失效形式，从而影响电池寿命。同时，由于碳纤维纸的研制水平较高，国内主要使用的碳纸供应商主要是日本东丽公司、德国sgl技术公司和加拿大巴拉德公司，市场几乎全部由国外的公司占领，碳纸价格昂贵并且受制于人。

因此，现有技术中的气体扩散层成本昂贵、电导率低以及应用范围不广成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，用于解决现有技术中的气体扩散层成本昂贵、电导率低以及应用范围不广的技术问题。

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将原木除去水分；

步骤2：将除去水分的原木进行第一碳化得到碳化木；

步骤3：将第一碳化的碳化木进行第二碳化；

步骤4：将第二碳化后的碳化木修整至0.1-0.3mm；

步骤5：用无水乙醇溶液浸泡步骤4修整后的碳化木，并超声分散、干燥

步骤6：用憎水剂乳液浸泡步骤5中干燥完的碳化木；

步骤7：将步骤6处理后的碳化木置于管式炉中，在充氮环境下烧结憎水剂；

步骤8：将导电碳粉和所述憎水剂乳液加入到醇类溶剂中，超声分散，形成均匀的碳粉层浆料；

步骤9：将所述碳粉层浆料均匀地涂覆在经憎水处理的碳化木表面一侧形成带有微孔层的基底；

步骤10：将所述带有微孔层的基底烧结得到质子交换膜燃料电池气体扩散层。

优选的，所述步骤1具体包括将原木外围的树皮刮除修整，在50-75℃下干燥12-24h除去原木自身的水分。

优选的，所述第一碳化的温度为240-280℃，时间为8-12小时。

优选的，所述第二碳化的温度为800-1000℃，时间为0.5-3小时。

优选的，在所述步骤6之后，所述步骤7之前还包括：重复所述步骤6(1～5)次，直至负载的憎水剂的含量占碳化木总质量的10-30％；

优选的，步骤7中所述烧结的温度为350-400℃。

优选的，在所述步骤9之后，所述步骤10之前还包括重复重复步骤9(1-5)次，直至碳粉粉末的负载量达到1-5mg/cm^2。

优选的，所述憎水剂乳液的浓度为1％～5％。

优选的，所述憎水剂乳液为聚四氟乙烯乳液、聚丙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液、乙烯-四氟乙烯共聚物乳液中的一种或两种。、

优选的，所述导电碳粉为vulcanxc-72、乙炔黑、blackpearls、碳纳米管、石墨烯粉末其中的一种或几种的混合物。

更优选的，步骤10中所述涂覆为喷涂、刮涂、刷涂和丝网印刷中的一种或多种。

目前，市面上商业化气体扩散层基底层普遍使用碳纤维纸，其研制水平较高。本发明制备的气体扩散层，基底层采用天然原木，其优越的三维多孔结构作为气体扩散层基底层具有很大的潜力。此外，原木属于可再生原料，来源丰富，无需繁琐的操作步骤加工，因此该制备方法成本低廉。本发明实施例制备的气体扩散层与日本东丽碳纸tgp-h-090相比，具有优越的电池性能，阻抗小，适用于小型或微型燃料电池中，并能实现长时间稳定运行。因为本发明采用天然具有多孔结构的原木，有利燃料电池的水气管理，使本发明在长时间运行中都能保持较好的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例1～3的电池性能曲线图；

图2是本发明实施例2与比较例1的电池性能曲线图；

图3是本发明实施例2与比较例1的阻抗图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种质子交换膜燃料电池气体扩散层的制备方法，用于解决现有技术中的气体扩散层成本昂贵、电导率低以及应用范围不广的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

首先将原木切成垂直于树木生长方向的切片，把原木外围的树皮刮除修整，置于50℃烘箱下干燥24小时；将干燥后的原木置于马弗炉中，240℃温度下预碳化10小时；将预碳化处理后的碳化木置于管式炉中，在充氮环境下、1000℃下碳化1小时；将碳化后的碳化木用切削工具修整至0.3mm，并用无水乙醇浸泡碳化木超声分散清洗干净碳化木上残留的碳粉，置于烘箱干燥并称重；用去离子水将质量分数为60％的ptfe乳液稀释，得到质量分数为5％的憎水剂乳液；依次用5％的ptfe乳液浸泡干燥后的碳化木，超声分散10分钟，干燥并称重，直至ptfe乳液的负载量占碳化木质量的30％；将浸泡后的碳化木置于管式炉中充氮环境下，375℃下烧结1小时；量取5ml无水乙醇，向其内加入20mg的vulcanxc-72，100mg的ptfe乳液(5wt％)，超声分散30分钟形成均匀的碳粉层浆料；依次逐层将碳粉层浆料涂覆在憎水处理过的碳化木表面的一侧，干燥并称重，直到碳粉的负载量达到4mg/cm²；最后将整个气体扩散层置于马弗炉中在375℃下烧结30分钟。

实施例2

首先将原木切成垂直于树木生长方向的切片，把原木外围的树皮刮除修整，置于烘箱50℃下干燥24小时；将干燥后的原木置于马弗炉中，240℃温度下预碳化10小时；将预碳化处理后的碳化木置于管式炉中，在充氮环境下、1000℃下碳化1小时；将碳化后的碳化木用切削工具修整至0.3mm，并用无水乙醇浸泡碳化木超声分散清洗干净碳化木上残留的碳粉，置于烘箱干燥并称重；用去离子水将质量分数为60％的ptfe乳液稀释，得到质量分数为5％的憎水剂乳液；依次用5％的ptfe乳液浸泡干燥后的碳化木，超声分散10分钟，干燥并称重，直至ptfe乳液的负载量占碳化木质量的20％；将浸泡后的碳化木置于管式炉中充氮环境下，375℃下烧结1小时；量取5ml无水乙醇，向其内加入20mg的vulcanxc-72，100mg的ptfe乳液(5wt％)，超声分散30分钟形成均匀的碳粉层浆料；依次逐层将碳粉层浆料涂覆在憎水处理过的碳化木表面的一侧，干燥并称重，直到碳粉的负载量达到4mg/cm²；最后将整个气体扩散层置于马弗炉中在375℃下烧结30分钟。

实施例3

首先将原木切成垂直于树木生长方向的切片，把原木外围的树皮刮除修整，置于50℃下烘箱干燥24小时；将干燥后的原木置于马弗炉中，240℃下预碳化10小时；将预碳化处理后的碳化木置于管式炉中，在充氮环境下、1000℃下碳化1小时；将碳化后的碳化木用切削工具修整至0.3mm，并用无水乙醇浸泡碳化木超声分散清洗干净碳化木上残留的碳粉，置于烘箱干燥并称重；用去离子水将质量分数为60％的ptfe乳液稀释，得到质量分数为5％的憎水剂乳液；依次用5％的ptfe乳液浸泡干燥后的碳化木，超声分散10分钟，干燥并称重，直至ptfe乳液的负载量占碳化木质量的10％；将浸泡后的碳化木置于管式炉中充氮环境下，375℃下烧结1小时；量取5ml无水乙醇，向其内加入20mg的vulcanxc-72，100mg的ptfe乳液(5wt％)，超声分散30分钟形成均匀的碳粉层浆料；依次逐层将碳粉层浆料涂覆在憎水处理过的碳化木表面的一侧，干燥并称重，直到碳粉的负载量达到4mg/cm²；最后将整个气体扩散层置于马弗炉中在375℃下烧结30分钟。

实施例4

首先将原木切成垂直于树木生长方向的切片，把原木外围的树皮刮除修整，置于烘箱50℃下干燥24小时；将干燥后的原木置于马弗炉中，240℃温度下预碳化8小时；将预碳化处理后的碳化木置于管式炉中，在充氮环境下、1000℃下碳化1小时；将碳化后的碳化木用切削工具修整至0.3mm，并用无水乙醇浸泡碳化木超声分散清洗干净碳化木上残留的碳粉，置于烘箱干燥并称重；依次用5％的pvdf乳液浸泡干燥后的碳化木，超声分散10分钟，干燥并称重，直至pvdf乳液的负载量占碳化木质量的20％；将浸泡后的碳化木置于管式炉中充氮环境下，375℃温度下烧结1小时；量取5ml无水乙醇，向其内加入20mg的乙炔黑，100mg的pvdf乳液(5wt％)，超声分散30分钟形成均匀的碳粉层浆料；依次逐层将碳粉层浆料涂覆在憎水处理过的碳化木表面的一侧，干燥并称重，直到碳粉的负载量达到5mg/cm²；最后将整个气体扩散层置于马弗炉中在375℃下烧结30分钟。

实施例5

首先将原木切成垂直于树木生长方向的切片，把原木外围的树皮刮除修整，置于烘箱50℃下干燥24小时；将干燥后的原木置于马弗炉中，240℃下预碳化10小时；将预碳化处理后的碳化木置于管式炉中，在充氮环境下、1000℃下碳化2小时；将碳化后的碳化木用切削工具修整至0.3mm，并用无水乙醇浸泡碳化木超声分散清洗干净碳化木上残留的碳粉，置于烘箱干燥并称重；依次用5％的pp乳液浸泡干燥后的碳化木，超声分散10分钟，干燥并称重，直至pp乳液的负载量占碳化木质量的20％；将浸泡后的碳化木置于管式炉中充氮环境下，375℃下烧结1小时；量取5ml无水乙醇，向其内加入20mg的碳纳米管，100mg的pp乳液(5wt％)，超声分散30分钟形成均匀的碳粉层浆料；依次逐层将碳粉层浆料涂覆在憎水处理过的碳化木表面的一侧，干燥并称重，直到碳粉的负载量达到5mg/cm²；最后将整个气体扩散层置于马弗炉中在375℃下烧结30min。

比较例1

日本东丽碳纸tgp-h-090。

将实施例1～3所制备的气体扩散层作为阴极气体扩散层、商业化气体扩散层作为阳极气体扩散层，与212膜两面喷涂催化剂的ccm组装电池进行测试。对采用碳化木气体扩散层制备的膜电极进行单电池极化扫描，其中测试条件为：电池工作温度为常温，h2流量为80ml/min，不增湿，阳极采用dead-end连接方式，电池工作面积为2.25cm²。

分别将实施例2与比较例1作为阴极气体扩散层、商业化气体扩散层作为阳极气体扩散层，与212膜两面喷涂催化剂的ccm组装电池进行测试。进行阻抗测试，其中测试条件为：ocv为0.8v，测试频率为0.1～100000hz，振幅为0.01v。

通过实施例2与比较例1的电池性能可以看出，见图2和图3，本发明制备的气体扩散层与日本东丽碳纸tgp-h-090相比，具有优越的电池性能，阻抗小，适用于小型或微型燃料电池中，并能实现长时间稳定运行。因为本发明采用天然具有多孔结构的原木，有利燃料电池的水气管理，使本发明在长时间运行中都能保持较好的性能。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。