質(zhì)子交換膜燃料電池平整無裂紋低碳載量微孔層的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種質(zhì)子交換膜燃料電池平整無裂紋低碳載量微孔層的制備方法，屬于燃料電池材料技術(shù)領(lǐng)域。微孔層料通常由導(dǎo)電碳粉、分散劑和憎水劑組成。降低微孔層的碳載量能夠有效降低微孔層的厚度，從而減小傳質(zhì)阻力。裂紋是微孔層退化的起始位置，降低粗糙度以降低膜的機(jī)械損傷和界面水積聚問題，平整無裂紋的微孔層能夠提高電池的耐久性。本發(fā)明專利技術(shù)微孔層制備方法如下：通過球磨罐將導(dǎo)電碳粉進(jìn)行研磨，加入適量分散劑繼續(xù)進(jìn)行研磨分散，加入憎水劑乳液，并通過超聲分散，形成分布均勻的微孔層漿料。將高固含量漿料刮涂于清潔的碳紙上，以減少向碳紙中的滲入，再將低固含量漿料超聲噴涂其上，室溫干燥，燒結(jié)形成平整無裂紋低碳載量的微孔層。

Method for preparing proton exchange membrane fuel cell smooth and crack free low-carbon load microporous layer

The invention provides a preparation method of a proton exchange membrane fuel cell smooth, no crack and low carbon loading microporous layer, belonging to the fuel cell material technology field. Microporous layer material is usually composed of conductive carbon powder, dispersant and hydrophobic agent. Reducing the carbon content of the microporous layer can effectively reduce the thickness of the microporous layer, thereby reducing the mass transfer resistance. Crack is the starting point of the degradation of the micro porous layer, reducing the roughness to reduce the mechanical damage of the membrane and the accumulation of water on the interface. The formation of the micro porous layer without cracks can improve the durability of the battery. The invention of micro porous layer preparation method is as follows: through ball milling tank will grind conductive toner, adding dispersant to grinding dispersion, adding water repellent emulsion, and through ultrasonic dispersion, uniform distribution of the formation of microporous layer slurry. The high solid content in slurry scraping to clean the carbon paper, carbon paper to reduce to the infiltration of the low solid content of the slurry on the ultrasonic spray drying at room temperature, sintering, forming a flat crack free microporous layer of low carbon load.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
質(zhì)子交換膜燃料電池平整無裂紋低碳載量微孔層的制備方法
本專利技術(shù)涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池平整無裂紋低碳載量微孔層的制備方法，屬于燃料電池材料

技術(shù)介紹
質(zhì)子交換膜燃料電池的核心組件膜電極通常包括質(zhì)子交換膜、陰陽極兩側(cè)的催化層、陰陽極兩側(cè)的氣體擴(kuò)散層。氣體擴(kuò)散層通常包括基底層和微孔層層，因加入微孔層能顯著改善電池的性能、穩(wěn)定性和耐久性?；讓雍臀⒖讓泳哂袀鬏旊娏鳌⑤斔秃头峙浞磻?yīng)氣、移除生成水的作用，通常兩者均做憎水性處理以改善反應(yīng)氣和生成水的傳輸。典型的基底層為經(jīng)聚四氟乙烯(PTFE)憎水處理的碳紙或碳布，孔徑為幾十到上百微米；典型的微孔層一般由碳粉和聚四氟乙烯組成，孔徑為幾十到幾百納米。加入微孔層一方面能夠改善電池的水管理，另一方面也能夠改善表面平整性，對膜提供機(jī)械保護(hù)，加強(qiáng)與催化層的電接觸，降低接觸電阻。一般以碳紙為支撐層，將碳粉、聚四氟乙烯均勻分散于分散劑中制備成微孔層漿料，通過超聲噴涂、絲網(wǎng)印刷、刮刀涂布、線棒涂布等方法涂布于氣體擴(kuò)散層表面，烘干燒結(jié)制備出微孔層。液態(tài)水容易積聚在微孔層表面的缺陷(如裂紋)處，裂紋位置通常是微孔層發(fā)生退化的位置(“Improvementofthemechanicaldurabilityofmicroporouslayerinaprotonexchangemembranefuelcellbyeliminationofsurfacecracks,RenewableEnergy,48(2012),35-41”)，因此無裂紋微孔層有更好的耐久性。微孔層應(yīng)具有平整的表面，降低界面水積聚，提高電池的性能和冷啟動性能(“Characterizationofinterfacialmorphologyinpolymerelectrolytefuelcells:Micro-porouslayerandcatalystlayersurfaces,JournalofPowerSources,195(2010),3463–3471”)，避免對膜的機(jī)械損傷，提高電池的耐久性。微孔層還應(yīng)盡可能薄，包括其滲入基底層中的厚度，以降低其傳質(zhì)阻力。涂布過程中，漿料滲入氣體擴(kuò)散層的現(xiàn)象不可避免，其滲入程度與漿料特性和基底層結(jié)構(gòu)有關(guān)。漿料固含量越低，滲入越嚴(yán)重。如圖1所示，本專利技術(shù)通過使用高固含量漿料，降低向基底層1中的滲入，通過刮涂法，可以自動調(diào)整不同孔隙結(jié)構(gòu)和滲入程度區(qū)域的漿料覆蓋量，獲得低滲入低碳載量的微孔層2。在此基礎(chǔ)上，采用超聲噴涂法制備出平整無裂紋的微孔層3。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種新的質(zhì)子交換膜燃料電池微孔層的制備方法，結(jié)合高固含量漿料刮涂和低固含量漿料噴涂，制備出低碳載量、表面平整、無裂紋的微孔層。本專利技術(shù)的技術(shù)方案：一種質(zhì)子交換膜燃料電池平整無裂紋低碳載量微孔層的制備方法，步驟如下：(1)將導(dǎo)電碳粉加入到球磨罐中，倒入磨球進(jìn)行研磨，干磨5～10min；(2)將分散劑加入步驟(1)的球磨罐，濕磨3～5min，暫停3～5min，以此為一個循環(huán)，進(jìn)行6～15個循環(huán)，得到初始漿液；(3)將憎水劑乳液加入初始漿液，控制溫度在24℃以下，超聲分散20～30min；裝瓶密封，貼上標(biāo)簽；(4)裁割碳紙，使用無水乙醇清潔、風(fēng)干，稱重；固定碳紙，通過刮涂法將步驟(3)得到的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5％～6.4％的漿液涂布于其表面，靜置待漿料滲入碳紙，部分位置下滲明顯，再次使用線棒涂布至無明顯下滲點，風(fēng)干稱重；(5)設(shè)定噴涂速度和加料速度，將步驟(3)得到的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％～4.0％的漿料超聲噴涂于線棒涂布后的表面，風(fēng)干稱重，再次超聲噴涂直至達(dá)到預(yù)期碳載量；(6)將噴涂后的材料放置于室溫中1h，再分別在240℃和350℃燒結(jié)30min，獲得平整無裂紋低碳載量的微孔層；取出碳紙，稱重，確定最終實際碳載量。所述的分散劑為乙醇、丙醇、異丙醇、水中的一種或兩種以上混合。所述的導(dǎo)電碳粉為VulcanXC-72碳粉、Blackpearls、乙炔黑中的一種或兩種以上混合。所述的增水劑為聚四氟乙烯(PTFE)乳液、四氟乙烯與六福丙烯的共聚物(FEP)、聚偏氟乙烯(PVDF)乳液、聚三氟氯乙烯(PCTFE)乳液中的一種或兩種以上混合。所述的磨球尺寸為5mm和3mm兩種，球料比為2:1。控制球磨和超聲過程中漿液的溫度，包括但不限于采用有控溫功能的設(shè)備、控制球磨機(jī)轉(zhuǎn)速、控制超聲功率、增加間歇多次完成、超聲過程中添加冰塊等等。刮涂法可以是線棒涂布、刮刀涂布或絲網(wǎng)印刷等。PTFE含量20wt％，碳載量為2mg·cm-2時，所制備的微孔層能夠完全覆蓋碳紙表面，表面平整無裂紋。本專利技術(shù)的有益效果：1.只需很低的低碳載量，微孔層即能完全覆蓋粗糙的碳紙表面；2.微孔層表面非常平整；3.微孔層表面無裂紋。附圖說明圖1是微孔層結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是15μm線棒涂布表面形貌圖，碳載量1.3mg·cm-2。圖3是結(jié)合線棒和超聲噴涂制備的平整無裂紋的微孔層表面形貌圖，碳載量2mg·cm-2。圖4是結(jié)合線棒和超聲噴涂制備的平整無裂紋的微孔層截面形貌圖，碳載量2mg·cm-2。圖中：1碳紙；2刮涂微孔層；3超聲噴涂微孔層。具體實施方式以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說明本專利技術(shù)的具體實施方式。實施例用無水乙醇清潔球磨罐、密封墊片，超聲清洗磨球，風(fēng)干待用。稱取1160mgVulcanXC-72碳粉，加入容積為70ml的氧化鋯球磨罐中，加入44.5g氧化鋯磨球，直徑為5mm和3mm的磨球質(zhì)量約為1:1，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)每分鐘，干磨10分鐘。量取20ml異丙醇，加入球磨罐中，濕磨5分鐘，暫停5分鐘，以此為一個循環(huán)，進(jìn)行6～12個循環(huán)。將60％wtPTFE乳液稀釋為5％wt，稱取稀釋后的乳液5800mg，加入上述漿液，攪拌均勻，得到的混合漿液倒入燒杯中，通過添加冰塊控制溫度在24℃以下，超聲分散30分鐘。固含量6.4％，PTFE含量20％的微孔層漿液制備完成，裝瓶密封，貼上標(biāo)簽。用無水乙醇清潔球磨罐、密封墊片，超聲清洗磨球，風(fēng)干待用。稱取316mgVulcanXC-72碳粉，加入容積為70ml的氧化鋯球磨罐中，加入36g氧化鋯磨球，直徑為5mm和3mm的磨球質(zhì)量約為1:1，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)每分鐘，干磨10分鐘。量取10ml異丙醇，10ml去離子水，加入球磨罐中，濕磨5分鐘，暫停5分鐘，以此為一個循環(huán)，進(jìn)行6～12個循環(huán)。將60％wtPTFE乳液稀釋為5％wt，稱取稀釋后的乳液1580mg，加入上述漿液，攪拌均勻，得到的混合漿液倒入燒杯中，通過添加冰塊控制溫度在24℃以下，超聲分散30分鐘。固含量2％，PTFE含量20％的微孔層漿液制備完成，裝瓶密封，貼上標(biāo)簽。裁取一定尺寸Toray060碳紙，無水乙醇浸泡除去油灰，干燥稱重。固定碳紙，取適量固含量為6.4％的漿料放置于碳紙一端，使用15μm線棒，將漿料涂布于碳紙之上，靜置5分鐘，再次涂布直至無明顯下滲點，干燥稱重，估算碳載量。此時得到的微孔層表面形貌如圖2所示。取2％固含量的漿料，選取合適的加料速度和噴涂速度，通過超聲噴涂機(jī)噴涂若干次，干燥稱重，重復(fù)噴涂和稱重直至預(yù)計的碳載量。室溫干燥1小時，放入馬弗爐中，240℃燒結(jié)30分鐘，去除分散劑，350℃燒結(jié)30分鐘，使PTFE均勻分布。取出碳紙，稱本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種質(zhì)子交換膜燃料電池平整無裂紋低碳載量微孔層的制備方法，其特征在于，步驟如下：(1)將導(dǎo)電碳粉加入到球磨罐中，倒入磨球進(jìn)行研磨，干磨5～10min；(2)將分散劑加入步驟(1)的球磨罐，濕磨3～5min，暫停3～5min，以此為一個循環(huán)，進(jìn)行6～15個循環(huán)，得到初始漿液；(3)將憎水劑乳液加入初始漿液，控制溫度在24℃以下，超聲分散20～30min，得到所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)的漿液；裝瓶密封，貼上標(biāo)簽；(4)裁割碳紙，使用無水乙醇清潔、風(fēng)干，稱重；固定碳紙，通過刮涂法將步驟(3)得到的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5％～6.4％的漿液涂布于其表面，靜置待漿料滲入碳紙，部分位置下滲明顯，再次使用線棒涂布至無明顯下滲點，風(fēng)干稱重；(5)將步驟(3)得到的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％～4.0％的漿料超聲噴涂于線棒涂布后的表面，風(fēng)干稱重，再次超聲噴涂直至達(dá)到預(yù)期碳載量；(6)將噴涂后的材料放置于室溫中1h，再分別在240℃和350℃燒結(jié)30min，獲得平整無裂紋低碳載量的微孔層；取出碳紙，稱重，確定最終實際碳載量。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池平整無裂紋低碳載量微孔層的制備方法，其特征在于，步驟如下：(1)將導(dǎo)電碳粉加入到球磨罐中，倒入磨球進(jìn)行研磨，干磨5～10min；(2)將分散劑加入步驟(1)的球磨罐，濕磨3～5min，暫停3～5min，以此為一個循環(huán)，進(jìn)行6～15個循環(huán)，得到初始漿液；(3)將憎水劑乳液加入初始漿液，控制溫度在24℃以下，超聲分散20～30min，得到所需質(zhì)量分?jǐn)?shù)的漿液；裝瓶密封，貼上標(biāo)簽；(4)裁割碳紙，使用無水乙醇清潔、風(fēng)干，稱重；固定碳紙，通過刮涂法將步驟(3)得到的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5％～6.4％的漿液涂布于其表面，靜置待漿料滲入碳紙，部分位置下滲明顯，再次使用線棒涂布至無明顯下滲點，風(fēng)干稱重；(5)將步驟(3)得到的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％～4.0％的漿料超聲噴涂于線棒涂布后的表面，風(fēng)干稱重，再次超聲噴涂直至達(dá)到預(yù)期碳載量；(6)將...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊竹強(qiáng)，陳桂銀，
申請(專利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：遼寧,21