專利名稱：燃料電池整平層組合物及制備方法和氣體擴(kuò)散層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池，具體的講涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池整平層組合物以及包 含該組合物的氣體擴(kuò)散層，本發(fā)明還涉及上述質(zhì)子交換膜燃料電池整平層組合物的制備方法
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)作為一種新的電源，具有清潔無污染，噪聲低，工作溫 度低，發(fā)電比功率大等優(yōu)點(diǎn)，這種燃料電池已經(jīng)成為能源開發(fā)與研究領(lǐng)域的重點(diǎn)，并且越來 越受到電力供應(yīng)和電子產(chǎn)品應(yīng)用行業(yè)的重視。
質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部分是膜電極組件(MEA)。從結(jié)構(gòu)上分析，通常MEA包含 陰/陽極氣體擴(kuò)散層、陰/陽極催化層、質(zhì)子交換膜等五大部分組成，其中質(zhì)子交換膜具有傳 導(dǎo)水合質(zhì)子的功能，并且能夠防止燃料氣體的互串；催化層是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的主要場所 在陽極催化層，氫氣在催化作用下發(fā)生氧化反應(yīng)失去電子，結(jié)合一個(gè)自由水分子形成水合氫 離子向膜的方向發(fā)生質(zhì)量迀移，在陰極催化層，氧氣或空氣在催化作用下發(fā)生還原反應(yīng)。氣 體擴(kuò)散層為反映氣體順利到達(dá)反應(yīng)界面提供通道，并且使反應(yīng)生成的水及時(shí)排除，同時(shí)在催 化層和碳板之間傳遞電子和熱量。
質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件的氣體擴(kuò)散層(GDL)，主要是使燃料氣體能夠通暢、 盡可能均勻地分布到催化劑的周圍，并且不影響水氣的進(jìn)入和傳輸。氣體擴(kuò)散層可以采用透 氣性很好的碳紙或碳布作為支撐體，比如日本Toray公司、加拿大E-Tek公司等。由于這種材 料具有粗糙的表面和高達(dá)70%的孔隙率，直接在其表面涂布催化劑會(huì)導(dǎo)致大量浪費(fèi)，因此在 其催化層的一側(cè)表面涂布以碳粉和疏水成分為主的整平材料。
中國專利CN1658422A公開了一種燃料電池用氣體擴(kuò)散層及其制備方法，為了提高整平層 的透氣性，在其制備過程中加入了酸溶性無機(jī)鹽類造孔劑，而且為了進(jìn)一步提高孔隙率和孔 徑梯度，其采用多層涂布的方式；采用以上方法制備的碳粉料漿，具有墨水一樣的流動(dòng)性， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，直接涂布在碳紙上，會(huì)大量滲透到碳紙內(nèi)部，不利于實(shí)現(xiàn)平整碳紙表面的效 果，而且這種墨水不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需要，為推測和分析整平層中的孔徑和孔分布帶來很 多困難。
中國專利CN1906784A公開了一種氣體擴(kuò)散層和使用氣體擴(kuò)散層的燃料電池，采用水溶性無機(jī)鹽類作為造孔劑，同時(shí)在這種導(dǎo)電碳粉材料中加入了催化劑粉末，雖然一定程度上降低 了整平層與催化層之間的接觸電阻，但是造成催化劑的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池的整平層組合物以及包含該組合物的氣體 擴(kuò)散層。本發(fā)明的整平層組合物可以有效降低碳紙表面的孔隙率，增加氣體擴(kuò)散層的機(jī)械強(qiáng) 度，降低了整平層與催化層之間的接觸電阻；并且包含該組合物的氣體擴(kuò)散層，具有良好的 機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性，表面均勻，而且同樣具有良好的透氣性。
本發(fā)明的另一目的是提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池整平層組合物的制備方法。
其具體技術(shù)方案如下
一種燃料電池整平層組合物，包括導(dǎo)電碳材料、有機(jī)造孔劑、保水劑、溶劑以及疏水劑 ，所述的導(dǎo)電碳材料、有機(jī)造孔劑、保水劑以及疏水劑的質(zhì)量比為l: 0. 1 0.5: 0.5 10: 0. 01 1。
如果所述的有機(jī)造孔劑與導(dǎo)電碳材料的質(zhì)量比小于O. 1: 1，則制得的氣體擴(kuò)散層的孔分 布較為稀疏，從而導(dǎo)致其透氣性較差，如果所述的有機(jī)造孔劑與導(dǎo)電碳材料的質(zhì)量比大于 0.5: 1，則制得的氣體擴(kuò)散層的孔分布較為密集，導(dǎo)致因催化劑在孔內(nèi)部的延流而造成浪費(fèi) ，而且造孔劑的含量過高會(huì)增大電極的電阻；如果所述的保水劑與導(dǎo)電碳材料的質(zhì)量比小于 0.5:1，則起不到保水作用，如果大于10: 1，則會(huì)導(dǎo)致溶液粘度過高，從而導(dǎo)致制得的氣體 擴(kuò)散層不易干燥，并會(huì)出現(xiàn)裂縫；如果所述的疏水劑與導(dǎo)電碳材料的質(zhì)量比小于0.01:1，則 不能實(shí)現(xiàn)疏水的效果。
所述導(dǎo)電碳材料可以是碳粉、石墨、乙炔碳黑或高爐碳黑中的一種或幾種的混合物，其 粒徑為20 40nm。
所述有機(jī)造孔劑為水溶性高分子材料，可以是聚氧化乙烯，聚乙烯醇、聚羧酸或聚 乙烯醇縮丁醛中的任意一種，其分子量為400 10000，優(yōu)選1000 5000。 所述的保水劑為低分子量高沸點(diǎn)水溶性多元醇類，可以是丙三醇、乙二醇或丙二醇中的 任意一種；本發(fā)明中采用低分子量高沸點(diǎn)的多元醇類，其沸點(diǎn)在10(TC 35(TC，不僅可以起 到保濕的作用，也可以充分保持整平層組合物的流動(dòng)性，并且這類醇能夠在氣體擴(kuò)散層干燥 的過程中完全揮發(fā)。
所述的溶劑為醇或水，所述的醇優(yōu)選低分子醇溶液，可以是異丙醇、無水乙醇、正丙醇 、正丁醇或環(huán)己醇中的一種或幾種的混合物，所述的水優(yōu)選去離子水。
5所述的疏水劑可以是聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)。
在質(zhì)子交換膜燃料電池中，通暢的氣體、水、電子、熱量和質(zhì)子傳輸，可以有效地提高 催化劑的利用效率，延長電池的發(fā)電效率，提高電池的綜合性能。本發(fā)明的整平層組合物可 以有效降低碳紙表面的孔隙率，增加氣體擴(kuò)散層的機(jī)械強(qiáng)度，使在催化劑表面反應(yīng)產(chǎn)生的電 子傳遞到碳紙和碳板；另外，采用具有疏水通道成分的聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯( PVDF)作為疏水劑，雖然其本身導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能較差，但是燒結(jié)以后能夠把碳粉固定在 碳纖維類支撐體上，可以有效地減少電極內(nèi)的質(zhì)量迀移。
本發(fā)明選用有機(jī)水溶性高分子聚合物作為造孔劑，主要是因?yàn)槠洫?dú)特的熱力學(xué)穩(wěn)定性， 所述的有機(jī)水溶性高分子聚合物在疏水劑燒結(jié)溫度36(TC以下，會(huì)產(chǎn)生部分碳化和部分分解 ，在升溫加熱的過程中，其分解產(chǎn)物從涂層內(nèi)部逐漸擴(kuò)散到表層的過程，會(huì)形成很多彎曲微 小的孔徑，由于有機(jī)水溶性高分子聚合物的作用，這部分孔徑在后續(xù)過程中不會(huì)被破壞，而 這種高分子材料未被分解的部分發(fā)生碳化，碳化后的生成物仍然極易溶解在熱水中，因此， 這種造孔劑的造孔過程發(fā)生在干燥燒結(jié)和膜電極的活化兩個(gè)過程中。
所述的燃料電池整平層組合物的制備方法，包括以下步驟
1) 將有機(jī)造孔劑溶解于溶劑中，攪拌均勻后，加入到導(dǎo)電碳材料中，向其中加入保水 劑，充分?jǐn)嚢杌旌?，制得混合漿料；
2) 采用高速剪切分散機(jī)將步驟l)制得的混合漿料在6000 24000r/min的剪切速率下， 充分均質(zhì)30 200min;
3) 向步驟2)制得的漿料中加入疏水劑，接著超聲分散20 100min后制得所需的整平層 組合物。
經(jīng)高速剪切后所得到的具有明顯觸變性的料漿，經(jīng)過超聲分散用以排除剪切過程中產(chǎn)生 的氣泡。
本發(fā)明中的整平層組合物，其制備過程中包含高速剪切分散，使其中的碳粉顆粒恢復(fù)到 或接近其原生粒徑；在剪切的過程中，料漿受離心力的作用從乳化頭定子四周的孔中擠出， 而其余的料漿受負(fù)壓的作用被從轉(zhuǎn)子底部吸入，在轉(zhuǎn)子內(nèi)流向定子的時(shí)候，料漿要穿過高速 旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子空隙，這樣料漿中的顆粒就會(huì)被轉(zhuǎn)子剪切成更小的顆粒，甚至恢復(fù)原生粒徑；在 經(jīng)過剪切的料漿在涂布后的SEM照片中，碳分的平均粒徑在40 80nm，而且分布非常均勻。 剪切均質(zhì)能夠大大改善碳粉在料漿中的微觀狀態(tài)，減少了團(tuán)聚現(xiàn)象，使用該方法制備的料漿 涂布在多孔基層上，可以改善其在多孔基層表面的分布情況，降低接觸電阻。
一種燃料電池氣體擴(kuò)散層，包括多孔基層和在多孔基層上涂布所述整平層組合物構(gòu)成的整平層。
所述的多孔基層可以是碳紙、碳布或泡沫鎳。
所述的氣體擴(kuò)散層通過將上述方法制備的整平層組合物涂布到所述多孔基層上制得；所 述的涂布可以采用絲網(wǎng)印刷、刮涂或噴涂等方式。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的整平層組合物可以有效降低碳紙表面的孔隙率，增加氣體擴(kuò) 散層的機(jī)械強(qiáng)度，降低了整平層與催化層之間的接觸電阻；并且包含該組合物的氣體擴(kuò)散層 ，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性，表面均勻，而且同樣具有良好的透氣性。與現(xiàn)有技術(shù)相比 ，本發(fā)明的整平層組合物的制備方法，大大改善了碳粉在料漿中的微觀狀態(tài)，減少了團(tuán)聚現(xiàn) 象，使用該方法制得的料漿涂布在碳紙上，可以改善其在碳紙表面的分布情況，降低接觸電 阻。


圖l為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的氣體擴(kuò)散層經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后的表面電鏡圖； 圖2為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的氣體擴(kuò)散層經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后的截面電鏡圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，但不限于實(shí) 施例的內(nèi)容。 實(shí)施例l
稱取10g分子量為400的聚氧化乙烯，將其溶解于50g無水乙醇中，攪拌均勻后，依次向 其中加入100g碳粉(Cabot公司生產(chǎn)，VulcanXC-72R型)，其粒徑為20nm和50g丙三醇，充 分?jǐn)嚢韬?，制得混合料漿，使用高速剪切分散機(jī)(德國IKAT25型)將上述混合料漿在 6000r/min的剪切速率下，充分均質(zhì)60min，使之形成均勻粘稠的料漿；然后向其中加入20g 5wt %的PTFE乳液，超聲分散30min后，即制得整平層組合物料漿。
將上述制備好的料漿，經(jīng)過自動(dòng)絲網(wǎng)印刷的方式涂布在經(jīng)過疏水處理的碳紙表面，制得 本發(fā)明的氣體擴(kuò)散層，如圖1或圖2所示。
實(shí)施例2
稱取15g分子量為1000的聚乙烯醇，將其溶解于150g正丙醇中，攪拌均勻后，依次向其 中加入30g微晶石墨，其粒徑為30nm和300g丙三醇，充分?jǐn)嚢韬?，制得混合料漿，使用高速 剪切分散機(jī)(德國IKAT25型)將上述混合料漿在10000r/min的剪切速率下，充分均質(zhì)30min，使之形成均勻粘稠的料漿；然后向其中加入60g5wt %的PVDF乳液，超聲分散20min后，即 制得整平層組合物料漿。
將上述制備好的料漿，經(jīng)過自動(dòng)刀刮涂布的方式涂布在經(jīng)過疏水處理的碳布表面，制得 本發(fā)明的氣體擴(kuò)散層。
實(shí)施例3
稱取5g分子量為5000的聚羧酸，將其溶解于500g異丙醇中，攪拌均勻后，依次向其中加 入30g乙炔碳黑，其粒徑為40nm和60g丙三醇，充分?jǐn)嚢韬?，制得混合料漿，使用高速剪切分 散機(jī)(德國IKAT25型)將上述混合料漿在24000r/min的剪切速率下，充分均質(zhì)200min，使之 形成均勻粘稠的料漿；然后向其中加入600g 5wt %的PTFE乳液，超聲分散100min后，即制 得整平層組合物料漿。
將上述制備好的料漿，經(jīng)過手動(dòng)絲網(wǎng)印刷的方式涂布在經(jīng)過疏水處理的碳布表面，制得 本發(fā)明的氣體擴(kuò)散層。 實(shí)施例4
稱取10g分子量為10000的聚氧化乙烯，將其溶解于200g正丁醇中，攪拌均勻后，依次向 其中加入33.3g高爐碳黑，其粒徑為25nm和132g丙三醇，充分?jǐn)嚢韬?，制得混合料漿，使用 高速剪切分散機(jī)(德國IKAT25型)將上述混合料漿在12000r/min的剪切速率下，充分均質(zhì) 100min，使之形成均勻粘稠的料漿；然后向其中加入130g5wt %的PTFE乳液，超聲分散 50min后，即制得整平層組合物料漿。
將上述制備好的料漿，經(jīng)過手動(dòng)刮涂的方式涂布在經(jīng)過疏水處理的碳紙表面，制得本發(fā) 明的氣體擴(kuò)散層。
實(shí)施例5
稱取10g分子量為3000的聚氧化乙烯，將其溶解于200g環(huán)己醇中，攪拌均勻后，依次向 其中加入50g碳粉(Cabot公司生產(chǎn)，Vulcan XC-72R型)和乙炔碳黑以及150g丙三醇，充分 攪拌后，制得混合料漿，使用高速剪切分散機(jī)(德國IKAT25型)將上述混合料漿，在 19000r/min的剪切速率下，充分均質(zhì)160min，使之形成均勻粘稠的料漿；然后向其中加入 80g5wt %的PTFE乳液，超聲分散80min后，即制得整平層組合物料漿。
將上述制備好的料漿，經(jīng)過手動(dòng)刮涂的方式涂布在經(jīng)過疏水處理的碳紙表面，制得本發(fā) 明的氣體擴(kuò)散層。
實(shí)施例6
稱取8g分子量為6000的聚氧化乙烯，將其溶解于53g無水乙醇和異丙醇中，攪拌均勻后
8，依次向其中加入20g碳粉(Cabot公司生產(chǎn)，Vulcan XC-72R型)，其粒徑為35nm和50g丙 三醇，充分?jǐn)嚢韬?，制得混合料漿，使用高速剪切分散機(jī)(德國IKAT25型)將上述混合料漿 ，在15000r/min的剪切速率下，充分均質(zhì)80min，使之形成均勻粘稠的料漿；然后向其中加 入20g5wt %的PTFE乳液，超聲分散60min后，即制得整平層組合物料漿。
將上述制備好的料漿，經(jīng)過自動(dòng)絲網(wǎng)印刷的方式涂布在經(jīng)過疏水處理的碳紙表面，制得 本發(fā)明的氣體擴(kuò)散層。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池整平層組合物，其特征在于包括導(dǎo)電碳材料、有機(jī)造孔劑、保水劑、溶劑以及疏水劑，所述的導(dǎo)電碳材料、有機(jī)造孔劑、保水劑以及疏水劑的質(zhì)量比為1∶0.1～0.5∶0.5～10∶0.01～1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池整平層組合物，其特征在于所述 導(dǎo)電碳材料為碳粉、石墨、乙炔碳黑或高爐碳黑中的一種或幾種的混合物，其粒徑為20 40皿。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池整平層組合物，其特征在于所 述有機(jī)造孔劑為聚氧化乙烯、聚乙烯醇、聚羧酸或聚乙烯醇縮丁醛中的任意一種，其分子量 為400 10000。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池整平層組合物，其特征在于所述 有機(jī)造孔劑分子量為1000 5000 。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池整平層組合物，其特征在于所述 的保水劑為丙三醇、乙二醇或丙二醇中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池整平層組合物，其特征在于所述 的溶劑為醇或水。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃料電池整平層組合物，其特征在于所述 的醇為異丙醇、無水乙醇、正丙醇、正丁醇或環(huán)己醇中的一種或幾種的混合物，所述的水為 去離子水。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池整平層組合物，其特征在于所述 的疏水劑為聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。
9. 一種燃料電池整平層組合物的制備方法，包括以下步驟 1)將有機(jī)造孔劑溶解于溶劑中，攪拌均勻后，加入到導(dǎo)電碳材料中，向其中加入保水 劑，充分?jǐn)嚢杌旌?，制得混合漿料；2) 采用高速剪切分散機(jī)將步驟l)制得的混合漿料在6000 24000r/min的剪切速率下 ，充分均質(zhì)30 200min;3) 向步驟2)制得的漿料中加入疏水劑，接著超聲分散20 100min后制得所需的整平 層組合物。
10.—種燃料電池氣體擴(kuò)散層，包括多孔基層和在多孔基層上涂 布所述整平層組合物構(gòu)成的整平層；所述的多孔基層為碳紙、碳布或泡沫鎳。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池整平層組合物及制備方法和氣體擴(kuò)散層。所述的整平層組合物包括導(dǎo)電碳材料、有機(jī)造孔劑、保水劑、溶劑以及疏水劑，所述的導(dǎo)電碳材料、有機(jī)造孔劑、保水劑以及疏水劑的質(zhì)量比為1∶0.1～0.5∶0.5～10∶0.01～1。本發(fā)明的整平層組合物可以有效降低碳紙表面的孔隙率，增加氣體擴(kuò)散層的機(jī)械強(qiáng)度，降低了整平層與催化層之間的接觸電阻，并且包含這種整平層組合物的氣體擴(kuò)散層具有較高的表面平整度，沒有微小裂紋，很好的透氣和導(dǎo)水性。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101540405SQ20091030031
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者慧 梁 申請(qǐng)人:漢能科技有限公司