[發明專利]一種燃料電池氣體擴散層用柔性石墨烯碳膜及制備方法

有效

• 申請號: 201811622656.1
• 申請日: 2018-12-28
• 公開（公告）號: CN109698361B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 陳慶;曾軍堂
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于燃料電池領域，具體提出一種燃料電池氣體擴散層用柔性石墨烯碳膜及制備方法。本發明通過尿素增塑糊化淀粉和聚乙烯醇，將石墨烯與新型碳材料粘附于多孔無機粉體形成的大顆粒復合碳粒，然后與碳纖維、無機纖維、木質纖維、熱塑性聚合物、聚四氟乙烯微粉、可溶鹽、潤滑劑擠出造粒；經膜片成型機微發泡為石墨烯碳膜雛形片材；經輥筒牽引拉伸、同時三組牽引輥溫度逐步升高，部分聚乙烯醇、糊化淀粉分解和碳化，形成微孔，而聚四氟乙烯微粉微熔，作為粘結支撐劑保證片的強度和柔性，進一步洗脫可溶鹽形成微孔，得到柔性石墨烯碳膜。該方法得到的石墨烯碳膜具有優異的透氣性、導電性、柔性，而且制備工藝易控，易于規模化連續生產。

技術領域

本發明涉及燃料電池材料領域，具體涉及一種燃料電池氣體擴散層用柔性石墨烯碳膜及制備方法。

背景技術

燃料電池是一種新型的發電方式，發展燃料電池對于改善環境, 實施能源可持續發展具有重要意義。傳統的燃燒是將燃料燃燒轉化為熱能,推動蒸汽汽輪產生電。如燃煤發電廠大約有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發電機的損耗上。而燃料電池發電，盡管也采用燃料(氫氣、甲烷、天然氣、甲醇、乙醇等)，但該能量是以化學能的形式通過特殊的轉化介質直接轉化為電能，不需要進行燃燒，沒有多余的能量轉換過程，理論上能量轉換率為100%。燃料電池實際是一個小型發電廠，應用十分廣泛，可以在企業、飯店、賓館、家庭應用，裝置為積木式結構，容量可大可小。

燃料電池是采用氫能等為原料的清潔電池，由于最終排放物是水，燃料電池汽車被看做理想的清潔能源交通工具，被稱為“終極新能源動力解決方案”。由于具有高的功率密度、高的能量轉換效率、低溫啟動、無污染、體積輕巧、對壓力變化不敏感及電池壽命長等諸多優點，在新能源汽車領域具有巨大的應用潛力。燃料電池近年來成為各國研究開發的熱點，我國計劃到2020年，實現燃料電池關鍵材料批量化生產的質量控制和保證能力。

燃料電池的關鍵技術核心部件是膜電極，其作為燃料電池的“芯”。膜電極組件（membrane electrode assembly，MEA）是核心元件，其不但原料成本高，而且制備復合工藝要求高。膜電極組件（MEA）是以質子交換膜為夾層中心，在兩側分別復合催化層、氣體擴散層而形成的擴散層-催化層-質子交換膜-催化層、擴散層結構的組合件。燃料電池擴散層是影響電池性能的關鍵部件，其主要作用有：支撐催化劑和膜結構；均勻分布氣體；支撐整體結構，同時要求擴散層又是氣體、電子和水的傳輸通道。因此要求擴散層兼具導電、透氣、疏水、強度的綜合特性。

目前，燃料電池擴散層大都使用碳紙，碳紙通常是由碳纖維、聚合物纖維、粘合劑復合后，制備成紙，進一步在1600℃以上高溫碳化處理得到碳纖維紙；目前主要由日本東麗公司、德國SGL公司、加拿大巴拉德公司生產制備。但該技術制備碳碳紙工藝復雜，能耗高，難以批量規模化生產，成本高昂，使得燃料電池成本居高不下。另外，該碳紙為二次高溫碳化而得，脆性較大，在制備膜電極復合時容易損傷，而且在后期燃料電池工作時容易破損，影響催化層的工作，降低了燃料電池的使用壽命。

中國發明專利CN103556543B公開了一種燃料電池氣體擴散層專用高性能碳紙，采用造紙工藝，將碳纖維、植物纖維等經疏解、打漿和配漿后用濕法造紙工藝抄紙，然后經防水涂料涂布處理制成碳纖維紙。該方法采用造紙工藝，具有較好的透氣性，并使制造成本大幅降低，但碳纖維抄紙難度大，需要輔助木漿，抄紙工藝復雜，而且抄紙得到的碳紙強度低、容易脆斷、導電性較低。

發明內容

目前燃料電池氣體擴散層主要采用碳纖維紙，盡管具有優異的導電性和透氣性，但其由于完全碳化后發脆，影響在膜電極中的復合成型使用；而且制備需要高溫碳化，能耗高、工藝復雜、難以量產，導致成本高，嚴重制約了燃料電池的規模化發展。鑒于此，本發明提出一種燃料電池氣體擴散層用柔性石墨烯碳膜的制備方法，該方法可連續、穩定、規模化制備滿足燃料電池氣體擴散層要求的石墨烯碳膜，得到的石墨烯碳膜兼具導電、疏水、透氣、高強、柔性的特性，可完全替代現有碳纖維紙，大幅降低了燃料電池氣體擴散層的成本，對推進燃料電池的產業化生產和應用具有積極的意義。