[發(fā)明專利]一種水/氣分離傳輸?shù)奈⒖讓硬牧霞捌渲苽浞椒ê蛻?yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111169932.5
• 申請日: 2021-10-08
• 公開（公告）號: CN113921832B
• 公開（公告）日: 2022-12-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李光;張晶晶;王彪;金俊弘;楊勝林
• 申請（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M8/1004
• 代理公司: 上海統(tǒng)攝知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31303
• 代理人: 杜亞

本發(fā)明涉及一種水/氣分離傳輸?shù)奈⒖讓硬牧霞捌渲苽浞椒ê蛻?yīng)用，制備方法為：首先制備皮層為聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯的混合物且芯層為聚甲基丙烯酸甲酯和鈦酸丁酯的混合物的皮芯復(fù)合納米纖維，然后進行預(yù)氧化處理，接著進行碳化處理，最后對碳化處理得到的產(chǎn)物外表面進行疏水處理；最終制得的材料為具有中空結(jié)構(gòu)的納米碳纖維，其內(nèi)表面具有親水性，其外表面具有疏水性，其上分布有連通內(nèi)、外表面的微孔；最終制得的材料可用于制備質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的微孔層。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極材料因水管理水平不高帶來的電池水淹、傳質(zhì)極化嚴重等問題，能夠?qū)δる姌O中的產(chǎn)物水和反應(yīng)物氣體進行分離傳輸。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于可持續(xù)能源用新材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種水/氣分離傳輸?shù)奈⒖讓硬牧霞捌渲苽浞椒ê蛻?yīng)用。

背景技術(shù)

石油和火電能源的使用對環(huán)境造成的污染已嚴重威脅人類的生存，因此發(fā)展和使用綠色能源成為刻不容緩的使命。其中質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是可持續(xù)發(fā)展的清潔能源。PEMFC原理簡述如下：在陽極發(fā)生燃料(H₂)的電化學(xué)氧化；產(chǎn)生的質(zhì)子經(jīng)質(zhì)子交換膜傳輸至陰極；在陰極O₂發(fā)生電化學(xué)還原并與質(zhì)子結(jié)合生成水；過程中產(chǎn)生的電子在外電路流動形成電流。在整個體系中有多個過程同時發(fā)生：不但包括上述在兩個半電池中分別進行的氧化和還原反應(yīng)，還有陰極氧化原生成的H₂O的排除、反應(yīng)氣體的擴散和傳輸。這些過程的進行制約著電池的性能。

膜電極(MEA)是PEMFC的核心部件，如圖1所示，膜電極由中心的質(zhì)子交換膜、膜兩側(cè)的電催化劑層(CL)和由碳紙及其復(fù)合的微孔層(MPL)組成的氣體擴散層(GDL)構(gòu)建。在PEMFC運行過程中，反應(yīng)氣體(H₂，O₂)由外流道通過氣體擴散層擴散至催化劑層；而陰極氧化還原反應(yīng)生成的水由催化劑層通過氣體擴散層排向外流道。可見，反應(yīng)氣體與水相互搶占流道。如果反應(yīng)產(chǎn)生的水不能及時排除，會對電池造成水淹，即催化劑被水淹沒，不能與反應(yīng)氣體接觸，導(dǎo)致反應(yīng)無法進行，電池失效。

在MEA中，反應(yīng)氣體(H₂，O₂)和產(chǎn)物水的傳輸通道由各層組成材料間形成的多孔結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，研究和實踐都已證明在催化劑層和碳紙支撐層之間加入微孔層共同構(gòu)建的氣體擴散層，比單一碳紙支撐層作為氣體擴散層能更有效進行膜電極中產(chǎn)物水和反應(yīng)氣體的管理。因為作為傳統(tǒng)氣體擴散層的碳纖維紙由直徑7-10微米的碳纖維構(gòu)成，而傳統(tǒng)催化劑由商業(yè)Pt/C催化劑組成，其中載體炭黑顆粒尺寸平均40納米，其上Pt粒徑3-5納米。很顯然，催化層與氣體擴散層材料形態(tài)和尺寸差別大，兩者界面接觸不良，界面空隙大，不但導(dǎo)致接觸電阻大，并會成為水的聚集地，同時催化劑也會陷入碳紙空洞內(nèi)部造成浪費。

目前的微孔層材料主要是由經(jīng)過聚四氟乙烯疏水處理的炭黑顆粒組成，一般是將導(dǎo)電炭黑與聚四氟乙烯(PTFE)和去離子水、異丙醇等混合，超聲攪拌后得到分散均勻的MPL漿料，然后通過噴涂法、刮刀涂覆法、絲網(wǎng)印刷法等將MPL漿料沉積在SL基底(碳紙)表面，然后進行燒結(jié)，除去溶劑，得到傳統(tǒng)顆粒堆積型MPL。但是，在制備商用炭黑顆粒堆積型MPL過程中，部分MPL漿料會滲入到SL基底中，這會阻礙水和氣體的傳輸，另外炭黑顆粒的緊密堆積減小了孔體積，增大了傳質(zhì)阻力和傳質(zhì)極化；另一方面，疏水劑處理炭黑顆粒降低了其導(dǎo)電性，這些都不利于電池性能的提高。已經(jīng)有研究表明對于微孔層進行疏水處理時聚四氟乙烯的負載量存在一個最佳范圍。