[發明專利]一種燃料電池多孔基層的疏水化處理方法

無效

• 申請號: 200810301727.8
• 申請日: 2008-05-23
• 公開（公告）號: CN101587953A
• 公開（公告）日: 2009-11-25
• 發明（設計）人: 王磊磊;白玉霞;肖鋼
• 申請（專利權）人: 漢能科技有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/02;B05D3/10;C08J7/12
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技術領域

本發明涉及一種燃料電池多孔基層的疏水化處理方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池作為一種新型的發電技術，具有工作溫度低、無污染、無腐蝕、比功率大、啟動迅速等優點，已經成為能源領域研究的熱點之一。氣體擴散層(GDL)是質子交換膜燃料電池的重要組成部分，一般將其放置在燃料電池中的催化電極和流場通道之間，它們為反應物和產物提供滲透性、導電性和導熱性以及燃料電池正常工作所需的機械強度。在PEMFC中最廣泛使用的擴散層介質是碳纖維材料，如無紡布、碳布、石墨化的碳纖維紙，雖然碳纖維本身是相對疏水的，但是常常需要提高其疏水性或者至少用更加穩定的疏水涂層來處理所述碳纖維，以在擴散層內生成兩種通道：憎水的反應氣體通道和親水的液態水傳遞通道。向碳纖維擴散層加入疏水劑如聚四氟乙烯(PTFE)是用來提高疏水性的常用方法。

PTFE的加入有多種方式，通常是采用將基底材料浸漬到一定濃度的PTFE水溶液中一段時間，取出后自然滴干、晾干，去除其中的水。反復進行數次上述浸泡干燥過程，直至PTFE含量達到設定值，然后移至烘箱中慢慢烘干，最后于350℃燒結，使PTFE熔融同時除去表面活性劑，PTFE熔融形成PTFE膜覆蓋于碳纖維表面，實現碳紙的疏水性。這種方法簡單易行，但需要進行反復浸泡干燥過程，浪費時間。

美國專利US5137754公開了一種新的憎水處理方法，將平均分子量為250000的聚乙烯溶于庚烷中，配成一種成膜溶液，將基底材料，如碳纖維紙浸入其中，待庚烷揮發后在碳紙上形成質量分數為5％的PE涂層，然后將這種具有聚乙烯涂層的碳紙放入不銹鋼反應器中，在室溫條件、含10％氬氣的氟氣氣氛中氟化約30min，獲得性能優異的憎水材料。通過實驗比較發現用這種憎水處理方法比用PTFE乳液浸漬的方法制得的憎水材料的憎水性能更好。但是這種方法工藝過程比較復雜。

另一種由日本豐田研究所發明的憎水處理方法是將基底材料暴露在一種經等離子體處理過的碳氟化合物氣體中，使表面沉積一層憎水材料。然而這種方法需要特別設計大型設備，不適合大規模生產。

因此，需要一種簡單、快速、可以控制憎水劑上載量的方法，并且用此方法處理的碳纖維材料的疏水性能良好、穩定。

發明內容

本發明的目的在于提供一種燃料電池多孔基層的疏水化處理方法，具有簡單、快速、憎水劑上載量可控等特點，并且由此制備的氣體擴散層的疏水性能穩定。

其具體技術方案如下：一種燃料電池多孔基層的疏水化處理方法，包括

如下步驟：

1)將多孔基層浸入1％～8wt％的疏水溶液中，充分浸潤10s～5min后，取出，干燥；

2)將干燥后的多孔基層置于烘箱中，于300℃～400℃下燒結，疏水溶液的上載量是1％～14wt％。

所述的多孔基層可以是碳紙或碳布。

所述的疏水溶液主要由疏水組分構成，所述的疏水組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，也可以是任何其他適合的疏水性材料或其組合。

根據多孔基層材料疏水性能的要求，配制合適濃度的疏水溶液，多孔基層的浸漬次數以及最終疏水組分的上載量直接取決于溶液濃度。當所述的疏水溶液的濃度低于1wt％時，則同樣的上載量需要多次浸漬，一定程度上造成了時間上的浪費；當所述的疏水溶液的濃度高于8wt％時，則同樣的浸漬次數下，疏水組分的上載量較難控制。

所述的多孔基層在疏水溶液中的浸漬時間若小于10s，浸漬不均勻，若大于5min，則由于其很快達到飽和，浸漬時間過長對單次浸漬量并無影響，一定程度上造成了時間上的浪費。

步驟1)所述的干燥可以是通過45～80℃的吹風機的熱風吹干、自然晾干、或在45～150℃下用鼓風烘箱或紅外加熱器烘干。

將干燥后的多孔基層進行燒結，是為了除去疏水溶液中的表面活性劑成分，實現多孔基層的疏水性。

與現有技術相比，本發明的燃料電池多孔基層的疏水化處理方法簡單、快速、憎水劑上載量可控，并且由此制備的氣體擴散層的疏水性能穩定。

附圖說明

圖1是本發明的疏水處理前后的碳紙接觸角比較圖；

圖2是本發明的疏水溶液的濃度與上載量之間的關系示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步詳細的說明，但不限于本實施例的內容。

實施例1