[發明專利]一種燃料電池用碳納米管氣體擴散層及其制備和應用

有效

• 申請號: 201410768095.1
• 申請日: 2014-12-11
• 公開（公告）號: CN105742666B
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 侯明;陳國芬;謝志勇;邵志剛;肖宇;湯賢
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/0234
• 分類號: H01M8/0234
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

1.一種燃料電池用碳納米管氣體擴散層，其特征在于：

所述碳納米管氣體擴散層由大孔炭基支撐層和微孔層疊合構成；

其中，微孔層為碳納米管，碳納米管厚度為1-50μm；

碳納米管集中生長在氣體擴散層內側，氣體擴散層的內側為靠近催化層的一側；碳納米管氣體擴散層呈現各向異性，在垂直氣體擴散層平面方向碳納米管密度由外向內遞增，在平行于氣體擴散層平面的方向上碳納米管均勻分布；

將制備的碳納米管氣體擴散層置于溫度為60-65℃，氣體流量為100-150mL/min時，氣體擴散層的水蒸氣透過率為600-1200g h-1m2；

將制備的氣體擴散層夾在兩塊銅塊之間，對銅塊施加1-1.5MPa壓力與5A電流，測量兩銅塊之間電壓計算得到接觸電阻，當對銅塊施加1.5MPa壓力時，氣體擴散層與銅塊的接觸電阻為10-50mΩ·cm2。

2.按照權利要求l所述的碳納米管氣體擴散層，其特征在于：

氣體擴散層中碳納米管一側與水的接觸角為130°～150°；

所述接觸角是將3-4μL去離子水滴加在氣體擴散層內側，通過測定液-固界面與氣-液界面切線形成的相對夾角而得。

3.按照權利要求l所述的碳納米管氣體擴散層，其特征在于：

所述大孔炭基支撐層為炭布、碳紙或炭氈。

4.一種權利要求1-3任一所述的碳納米管氣體擴散層的制備方法，其特征在于：

a)催化劑前驅體溶于乙醇中，兩者重量比例為l：10～l：90，超聲得到混合均勻的催化劑前驅體溶液；

b)將催化劑前驅體溶液均勻擔載到大孔炭基支撐層上，40℃～100℃烘干，置于等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)系統樣品臺上；

c)將樣品室抽真空，當真空度達到0.1Pa～0.5Pa時，通入氫氣，氫氣流量為10～200mL/min，當壓強達到100～1000Pa時，室溫下開始升溫，升溫速率為10-20℃/min，升溫時間為10～500min，升溫至溫度為500～800℃；

d)保持氫氣流量為10～200mL/min的前提下，施加射頻功率10～200W，氫氣射頻l～30min，將催化劑前驅體還原為相應具有催化活性的納米金屬；

e)將氫氣流量調節并保持在10～100mL/min，通入氣體流量為50～500mL/min的碳氫化合物氣體，加壓并保持在1000-1500Pa，施加射頻功率100～1000W，射頻時間為10～300min，在催化劑與等離子體作用下直接于大孔炭基支撐層上生成碳納米管，沉積過程結束后，冷卻至室溫，得到原位生長碳納米管的炭紙；

f)將步驟e)得到的樣品取出，對氣體擴散層外側進行憎水處理；

步驟f)中所述的外側是指氣體擴散層與燃料電池的流場相接觸的一側；

所述納米金屬為催化劑。

5.按照權利要求4所述的碳納米管氣體擴散層的制備方法，其特征在于：

步驟a)中的催化劑前驅體為含鐵無機鹽、含鈷無機鹽、含鎳無機鹽中的一種或兩種以上：

步驟b)中催化劑前驅體溶液中的催化劑前驅體于大孔炭基支撐層上的擔載量為0.1-1mg/cm2；

步驟d)中所述的納米金屬為鐵、鈷或鎳中的一種或兩種以上；

步驟e)中所述碳氫化合物為甲烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙炔中的一種或兩種以上混合物。

6.按照權利要求5所述的碳納米管氣體擴散層的制備方法，其特征在于：催化劑前驅體為Ni(NO3)2·6H2O、Co(NO3)2·6H2O或FeCl3中的一種或兩種以上。