[發(fā)明專利]一種高溫低濕適用氣體擴(kuò)散層制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911067652.6
• 申請日: 2019-11-04
• 公開（公告）號: CN110797540A
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 聶穎;王倩;陳桂銀;李夢凡;王強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 新源動力股份有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 21212 大連東方專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 王思宇;李洪福

本發(fā)明提供一種高溫低濕適用氣體擴(kuò)散層制備方法，包括：將高導(dǎo)電性材料、碳納米管、親水劑和分散液通過攪拌的方式配制成成分均勻的漿料；其中，碳納米管采用VGCF?H；通過絲網(wǎng)印刷的方式將漿料均勻的分布在支撐材料上；通過噴涂的方式在分布有漿料的支撐材料的表面噴涂Nafion溶液形成氣體擴(kuò)散層。本發(fā)明的解決了現(xiàn)有技術(shù)中采用的外部增濕或者內(nèi)部增濕的方式進(jìn)行額外加濕，增加了燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性和能量消耗等技術(shù)問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，尤其涉及一種高溫低濕適用氣體擴(kuò)散層制備方法。

背景技術(shù)

膜電極(MEA)作為質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，對電池性能起到?jīng)Q定性作用。在MEA中Nafion膜需要有充足水分以保持膜良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性，質(zhì)子傳導(dǎo)率與膜中的水含量存在正比關(guān)系，水含量越高，質(zhì)子傳導(dǎo)速率就越快，水含量不足時(shí)會導(dǎo)致膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率急劇下降。因此保證PEMFC穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是保持質(zhì)子交換膜和催化層中Nafion樹脂水含量充足。燃料電池在運(yùn)行的過程中會產(chǎn)生大量水分，但這些水分在陰極生成并會被過量的空氣所帶走，這些水分并不能保證質(zhì)子交換膜水分含量充足；因此在目前的燃料電池技術(shù)應(yīng)用中，均需要采用外部增濕或者內(nèi)部增濕的方式對進(jìn)入電池前的氣體進(jìn)行額外加濕，以維持Nafion膜和陽極催化層的潤濕程度，而由此帶來的附加的增濕設(shè)備增加了燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性和能量消耗，燃料電池的功率密度降低，燃料電池的成本增加，出現(xiàn)水熱管理困難的系列問題，嚴(yán)重阻礙了燃料電池的商業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程。

申請?zhí)枮镃N105742666A的專利公開了一種用碳納米管氣體擴(kuò)散層的制備方法和應(yīng)用，提到的CVD方法制備的氣體擴(kuò)散層內(nèi)側(cè)無需額外添加憎水劑，由于碳納米管具有強(qiáng)疏水性，因此碳納米管集中生長的氣體擴(kuò)散層內(nèi)側(cè)具有疏水性，無憎水粘結(jié)劑添加的情況下接觸角為130～150°，這種氣體擴(kuò)散層在內(nèi)側(cè)不需要額外添加疏水劑，能夠同時(shí)具備良好的疏水、導(dǎo)電和傳質(zhì)能力。

專利中制備的碳納米管氣體擴(kuò)散層呈現(xiàn)各向異性，垂直于氣體擴(kuò)散層平面方向的碳納米管密度由外向內(nèi)遞增；在平行于氣體擴(kuò)散層平面的方向上，碳納米管密度均一，具有良好的傳質(zhì)和導(dǎo)電能力,有效解決質(zhì)子交換膜燃料電池在高電流密度下的水淹問題。

在大孔炭基底上利用碳納米管進(jìn)行原位生長制備氣體擴(kuò)散層，由于生長的碳納米管之間存在著較強(qiáng)的范德華力使其生長后極易纏繞且發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，碳納米管的有效長徑比顯著降低，從而出現(xiàn)管與管之間的滑移現(xiàn)象，且采用常規(guī)分散手段難以使其均勻分散。CVD直接添加碳納米管的方法制備的氣體擴(kuò)散層性能不穩(wěn)定。CVD完整過程相對復(fù)雜，過程中各項(xiàng)參數(shù)如碳源氣體、溫度、催化劑、時(shí)間等對生長出的碳納米管的分布、形貌及結(jié)構(gòu)均有較大影響，操作重復(fù)性較低。另CVD所制備的碳納米管氣體擴(kuò)散層表面均一性較差，因此制備所得的MEA性能會受到均一性的影響。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)上述提出現(xiàn)有技術(shù)中采用的外部增濕或者內(nèi)部增濕的方式對進(jìn)入電池前的氣體進(jìn)行額外加濕，維持Nafion膜和陽極催化層的潤濕程度，增加了燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性和能量消耗，降低了功率密度，增加了成本以及水熱管理困難等技術(shù)問題，而提供一種高溫低濕適用氣體擴(kuò)散層制備方法。本發(fā)明主要通過在微孔層原有配料不添加疏水劑、造孔劑的條件下加入適量VGCF-H及Nafion，可提高M(jìn)EA在高溫低濕工況下的性能，還有利于優(yōu)化MEA的水管理能力。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種高溫低濕適用氣體擴(kuò)散層制備方法，包括：

將高導(dǎo)電性材料、碳納米管、親水劑和分散液通過攪拌的方式配制成成分均勻的漿料；其中，碳納米管采用VGCF-H；

通過絲網(wǎng)印刷的方式將漿料均勻的分布在支撐材料上；

通過噴涂的方式在分布有漿料的支撐材料的表面噴涂Nafion溶液形成氣體擴(kuò)散層。

進(jìn)一步地，分散液的分散介質(zhì)采用加入了炭黑的異丙醇。