[發明專利]一種多層擠出制備燃料電池梯度氣體擴散層碳膜的方法

有效

• 申請號: 201910062372.X
• 申請日: 2019-01-23
• 公開（公告）號: CN109817994B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 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;H01M4/96;H01M8/1004
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及燃料電池領域，公開了一種多層擠出制備燃料電池梯度氣體擴散層碳膜的方法。包括如下制備過程：（1）將裹覆發泡劑的氯化鈉分為三個粒徑等級的顆粒；（2）將大粒徑顆粒、碳纖維、聚合物、木質纖維、分散劑混合得到A料；（3）將中粒徑顆粒、多孔碳黑、聚合物、分散劑混合得到B料；（4）將小粒徑顆粒、石墨、石墨烯、聚合物、分散劑混合得到C料；（5）將A料、B料、C料制成微發泡共擠膜；（6）將微發泡共擠膜浸水清洗，得到燃料電池梯度氣體擴散層碳膜。本發明的方法實現了連續可控制備具有梯度空隙的碳膜，對催化劑具有良好的支撐性，同時可有效阻止催化劑的損失和水淹，保證了氣體和水的快速傳輸，提升了使用性能。

技術領域

本發明涉及燃料電池領域，公開了一種多層擠出制備燃料電池梯度氣體擴散層碳膜的方法。

背景技術

隨著全球能源及環境問題日益嚴重，高效、環境友好、清潔的新能源技術被認為是21世紀最有發展潛力的新技術。其中，質子交換膜燃料電池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，被認為是首選的潔凈、高效的發電裝置。在新能源汽車領域具有巨大的應用潛力。

燃料電池中，膜電極組件（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、多孔、疏水、強度的綜合特性。目前，氣體擴散層基底材料主要有碳纖維紙，碳纖維編織布、碳無紡布等。其中，碳紙較脆，影響使用，而且成本高、制備能耗高；碳布則過于軟，挺度低制備工藝復雜，容易變形。而將碳材料與聚合物熱塑化擠出壓延可以實現良好的成型，大幅簡化了成型工藝，實現了規模化、低成本制備柔性碳紙，成為目前研究的熱點課題。

中國發明專利申請號201310504496.1公開了一種燃料電池氣體擴散層專用高性能碳紙及其制備方法，碳紙以短切碳纖維、植物纖維、熱粘合纖維和炭黑為原料，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，各原料的配比以重量份計如下：短切碳纖維65~75份，植物纖維10~15份，熱粘合纖維10~15份和炭黑0~10份。

中國發明專利申請號200810137131.9公開了一種用于燃料電池的氣體擴散層及其制備方法。該氣體擴散層中的多孔材料層由多孔纖維層和生長在多孔纖維層的纖維上的碳納米須組成，制備方法為：清洗并干燥多孔纖維層；在纖維表面負載鈷、鎳或鈷鎳合金的納米顆粒；在纖維表面生長碳納米須；憎水處理;；將漿料涂覆在支撐層的表面上再燒結。

根據上述，現有方案中用于燃料電池氣體擴散層的碳纖維紙，碳纖維編織布、碳無紡布等機械性能差、制備工藝復雜，而將碳材料與聚合物熱塑化擠出壓延的方法雖然改善了機械性能，但發泡過程難以控制，孔隙分布差，透氣性不理想。

發明內容

目前應用較廣的燃料電池氣體擴散層使用的擠出壓延碳膜，存在透氣性較差的缺陷，并且使用發泡處理時其空隙大小難以控制，無法滿足燃料電池擴散層的要求，因此，本發明提出了一種多層擠出制備燃料電池梯度氣體擴散層碳膜的方法，可有效解決上述技術問題。

為解決上述問題，本發明采用以下技術方案：

一種多層擠出制備燃料電池梯度氣體擴散層碳膜的方法，制備的具體過程為：

（1）先將氯化鈉與發泡劑送入渦旋氣流粉碎機，在主軸轉速為4000~4500r/min下研磨20~30min，使發泡劑均勻裹覆于氯化鈉顆粒表面，然后將制得的裹覆發泡劑的氯化鈉經三級旋風分離器分為三個粒徑等級：20~30μm、10~15μm、3~5μm，備用；