CN102110822B - 一种气体扩散层及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体扩散层及其制备方法和用途，所述气体扩散层，包括：微孔直径为30-100微米的碳黑层(2)和/或微孔直径为50-150微米碳纤维层(1)。所述气体扩散层可广泛应用于燃料电池、电解池、超级电容电化学反应装置中气体扩散电极。本发明同时公开了所述气体扩散层的制备方法。本发明结构简单、合理、紧凑，克服了现有技术的诸多缺点，实现了透气性佳、排水性佳、导电性佳、催化剂层稳定、催化剂利用率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电化学反应装置，具体地，涉及一种气体扩散层及其制备方法和用途。
背景技术
燃料电池、电解池、超级电容的电极是一种多孔的气体扩散电极，一般由扩散层和催化剂层组成。不同的扩散层材料对于电极的结构、制作工艺和性能有很大的影响。
比如在质子交换膜燃料电池中燃料气体经过阳极扩散层到达催化剂层，在催化剂的作用下发生电极反应，即
H2-2H+2e
该电极反应产生的电子通过扩散层的传导流经外电路到达阴极，同时氢离子在质子交换膜的作用下到达阴极。氧气通过阴极扩散层后与氢离子和电子在催化剂作用下发生电极反应生成水，即：
1/2O2+2H+2e-H2O
质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的水以气态和液态存在(取决于电池的温度和压力)(Ersoz A，Olgun H，Ozdogan S.et al.，J.Power Sources.2003，118(1-2)：384-392)，水过多或过少对PEMFC的性能都会带来负面影响(黄乃科，王曙中，电源技术，2003，27(3)：329-332)。
气体扩散层在电极中不仅起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能。选用高性能的气体扩散层材料有利于改善电极的综合性能(JAMESL，ANDREW D.Fuel cell systems explained.England：John Wiley&Sons Ltd.，2000.66-69)。理想的扩散层应该具备3个特点：良好的透气性、良好的排水性和良好的导电性。一般的气体扩散层由基底材料和过渡层组成。在多种基底材料中，炭纤维纸具有均匀的多孔质薄层结构和优异的导电性、化学稳定性和热稳定性，是燃料电池中应用最为广泛的扩散层材料(Thomas T O，Glendale，HiroshiI，et al.，US：3829327，1974.和Teruaki Kitago，Tadaaki Yoshida，US：3998689，1976)。过渡层又被称作中间层(邵志刚，衣宝廉，韩明等，电化学，2000，6(3)：317-323.)，它的加入实现了反应气体和反应产物在流场和催化层之间的再分配，对于增强导电性，提高电极性能、电池运行稳定性和运行寿命起到了重要作用。
L.R.Jordan等人(JORDAN L R，SHUKLA A K，BEHRSING T，et al.，J.Power Sources，2000，86：250-254.)将炭粉与聚四氟乙烯(PTFE)乳液混合，加入适量溶剂，利用超声波使其分散均匀，将它均匀地喷涂在基底材料的正反表面，烘干后于300～350℃下烧结约30min，使PTFE熔融同时除去表面活性剂，最后得到由PTFE粘结炭和基底纤维的憎水材料。加入的炭粉一方面起到增强导电性的作用，另一方面用来填充基底材料中纤维之间的大孔，使得表面平整且孔径分布均匀。涂层液中PTFE与炭黑的质量比在20∶80和50∶50之间为佳，涂层厚度在0.010～0.254mm之间，PTFE的含量为10％～50％。
在PEMFC扩散层的研究中，徐洪峰、田颖等人在经过疏水处理过的炭纸上涂一层XC-72R炭和聚四氟乙烯(PTFE)的混合物作为整平层。邵志刚、衣宝廉等(邵志刚，衣宝廉，韩明等，电化学，2000，6(3)：317-323).以水或乙醇作为溶剂，将炭黑和PTFE配成质量比为1∶1的溶液，混合均匀后用作整平层。Chan Lim等人(LIM C.WANG C Y.，Electrochimica Acta，2004，49(24)：4149-4156.)研究了PTFE含量和扩散层厚度的影响。Giorgi等人(JORDAN L R，SHUKLA A K，BEHRSING T.，Journal of PowerSources.2000.86：250-254.)认为增加扩散层中PTFE含量影响了扩散层的气孔率。L.R.Jordan等人(KONG C S，KIM D Y，LEE H K，et al.，Journal of Power Sources，2002，108：185-191.)认为使用大颗粒的乙炔黑代替Vulcan XC 72R炭能提高电池的性能。Chang Sun Kong等人在PEMFC扩散层中加入造孔剂来改善电池中的传质问题。
日本的M.Watanabe(WAT ANABE M.，US：5137754，1992.)等人发明了一种新的憎水处理方法，将平均分子量为250000的聚乙烯溶于庚烷中，配成一种成膜溶液，将基底材料，如炭纤维纸浸入其中，待庚烷挥发后在炭纸上形成质量分数为5％的PE涂层，然后将这种具有聚乙烯涂层的炭纸放入不锈钢反应器中，在室温条件、含10％氩气的氟气气氛中氟化约30min，获得性能优异的憎水材料。通过实验比较发现用这种憎水处理方法比用PTFE乳液浸渍的方法制得的憎水材料的憎水性能更好。
对基底材料作炭/PTFE涂层后，发现其中的小孔并不具备憎水性，因为PTFE分子比那些小孔大10～100倍。从而在喷涂贵金属催化剂时会发现贵金属的渗透现象，导致催化剂利用率的降低，因此须要对那些小孔进一步作憎水处理。V.K.KARL(KARL V K.，US：3899354，1975.)对涂层后的炭纸使用1.5％石腊的石油醚稀溶液处理，再于50℃下烘30min，可使涂层中的小孔具备有效的憎水性。或者使用2.0％醋酸纤维素的丙酮溶液处理，也可得到很好的小孔憎水效果。
另一种由日本丰田研究所发明的憎水处理方法是将基底材料暴露在一种经等离子体处理过的炭氟化合物气体中，使表面沉积一层憎水材料。然而这种方法须要特别设计大型设备，不适合大规模生产。
为了简化生产工艺，并使基底材料中的小孔也获得疏水性，顾军等(顾军，于涛等.，ZL200710019376.7)用碳黑粉末和PTFE或PVDF制作成分散液，然后将基底材料放在分散液中进行浸渍获得较好的气体扩散层。
以上工艺过程虽然使得基底材料表面变得平整，但是不能完全避免催化剂渗透进基底材料中，由于孔径要么太大，要么太小，导致反应气体扩散阻力增大或者反应生成的水分难以排出。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种气体扩散层及其制备方法和用途，以实现透气性佳、排水性佳、导电性佳、催化剂层稳定、催化剂利用率高的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种气体扩散层，包括：微孔直径为30-100微米的碳黑层2和/或微孔直径为50-150微米碳纤维层1。
同时，本发明采用的另一技术方案是：一种气体扩散层的应用，可广泛应用于燃料电池、电解池、超级电容电化学反应装置中的气体扩散电极，所述电极包括：电解质膜3、催化剂层4、气体扩散层5、极板6，电解质膜3两侧顺序对称的设置有催化剂层4、气体扩散层5和极板6。
同时，本发明采用的另一技术方案是：一种气体扩散层的制备方法，其制备步骤如下：
1)将碳纤维材料、分散剂和去离子水配置成均匀浆料，其中各组分的用量为：碳纤维材料为浆料的5-30wt％，分散剂为碳纤维材料的5-30wt％；在浆料中加入PTFE乳液，搅拌0.5-2小时，其中PTFE乳液的用量为碳纤维材料的10-50wt％；然后加入粘度调节剂，将浆料的粘度调节至1000-30000cps，即得到碳纤维浆料；
2)将碳黑粉末或碳黑粉末与碳纤维的混合物、去离子水、分散剂配置成均匀浆料，其中各组分的用量为：碳黑粉末或碳黑粉末与碳纤维的混合物为浆料的10-20wt％，分散剂为碳纤维材料的5-30wt％，在浆料中加入PTFE乳液，搅拌0.5-2小时，其中PTFE乳液的用量为碳黑粉末或碳黑粉末与碳纤维的混合物的10-50wt％；然后加入粘度调节剂，将浆料的粘度调节至1000-30000cps，即得到碳黑浆料；
3)将所述扩散层基体放入PTFE乳液中浸渍0.5-15min，取出晾干，并放入干燥箱在50-150℃烘干，在300-390℃烧结20-60min，得到载有PTFE的扩散层基体；
4)利用丝网印刷、涂布、喷涂的方法分别或依次将碳纤维浆料和碳黑浆料涂覆到载有PTFE的扩散层基体，然后在300-390℃下烧结20-60min，获得所述气体扩散层。
进一步地，所述分散剂为XH-1、AEO-9、FC4430、Tween-60、Triton X-100中的一种或几种。
进一步地，所述扩散层基体为碳纸、碳布(型号为：TORY、SGL、GORE)、不锈钢网、镍网、铜网中的一种。
进一步地，所述碳黑粉末为乙炔黑或/和活性炭。
进一步地，所述PTFE乳液为含量为10-50wt％的PTFE乳液。
进一步地，所述粘度调节剂为聚乙二醇、乙二醇、甘油、纤维素中的一种或几种。
有益效果：
本发明公开了一种用于燃料电池、电解池、超级电容等电化学反应装置的扩散层及其制备工艺，微孔在电极表面分布更加均匀，在电极的横截面方向具有孔径梯度，使得扩散层结构更加稳定，并有利于反应气体的扩散和水分的排出，同时避免催化剂层的催化剂材料渗透进孔径较大的扩散层而降低催化剂利用率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为传统气体扩散电极的剖面示意图；
图2为本发明带有碳纤维层的气体扩散电极剖面示意图；
图3为本发明带有碳黑层的气体扩散电极剖面示意图；
图4为本发明同时带碳纤维层和碳黑层的气体扩散电极剖面示意图。
结合附图，本发明实施例中附图标记如下：
1-碳纤维层；2-碳黑层；3-电解质膜；4-催化剂层；5-气体扩散层；6-极板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是传统燃料电池、电解池、超级电容等电化学反应装置中气体扩散电极的剖面示意图。扩散层基底5的主用作用是向电极内部输入反应介质或向电极外部输出介质，并收集或传导电化学反应产生或需要的电流。基底层5必须是耐电化学腐蚀和高导电的材料，主要是碳纤维纸、碳布或者经过防腐处理的金属网如镍网、铜网、不锈钢网等。基底层5的孔隙率一般是50-90％，孔径为100-200微米。催化剂层4在燃料电池中一般是Pt及其合金催化剂，是电化学氧化还原反应发生的区域，催化剂及其载体的颗粒直径一般为3-50微米。由于颗粒直径较小的催化剂层紧邻孔径较大的气体扩散层，催化剂容易渗透进入基底层的大孔，导致催化剂的流失，降低了电化学反应的活性。
图2为本发明带有碳纤维层的气体扩散电极剖面示意图。与图1不同的是在基底层5和催化剂层4之间加入了碳纤维层1。碳纤维层1主要是由碳纤维和高分子粘结剂组成，形成直径为50-150微米的微孔。碳纤维层1的孔径比基底层的孔径略小，不会影响反应介质在扩散层中的传输，并能阻止催化剂层中的催化剂渗透进入孔径较大的基底层。
图3为本发明带有碳黑层的气体扩散电极剖面示意图，和图2类似，只是在基底层5和催化剂层4之间加入了碳黑层2。碳黑层2主要是由碳黑粉末(乙炔黑、活性碳等)和高分子粘结剂组成，或者在其中再掺杂进入部分碳纤维，以获得高导电的、具有孔径为30-100微米的微孔层。这样能够有效阻止催化剂的流失，但是不利于电极中水分的排出以及反应介质的传输。
图4为本发明同时带碳纤维层和碳黑层的气体扩散电极剖面示意图。与图2和3不同的是在碳黑层2和催化剂层4之间增加了碳黑层2。孔径为30-100微米的碳黑层2有效阻止了催化剂层4中催化剂的流失。反应介质从基底层5通过碳纤维层1、碳黑层2到达催化剂层4，孔径是逐渐减小，减小了反应介质的扩散阻力，并能确保电极中水分的排出。
本气体扩散层，包括：微孔直径为30-100微米的碳黑层2和/或微孔直径为50-150微米碳纤维层1。
同时，本发明采用的另一技术方案是：一种气体扩散层的应用，可广泛应用于燃料电池、电解池、超级电容电化学反应装置中的气体扩散电极，所述电极包括：电解质膜3、催化剂层4、气体扩散层5、极板6，电解质膜3两侧顺序对称的设置有催化剂层4、气体扩散层5和极板6。
同时，本发明采用的另一技术方案是：一种气体扩散层的制备方法，其制备步骤如下：
1)将碳纤维材料、分散剂和去离子水配置成均匀浆料，其中各组分的用量为：碳纤维材料为浆料的5-30wt％，分散剂为碳纤维材料的5-30wt％；在浆料中加入PTFE乳液，搅拌0.5-2小时，其中PTFE乳液的用量为碳纤维材料的1050wt％；然后加入粘度调节剂，将浆料的粘度调节至1000-30000cps，即得到碳纤维浆料；
2)将碳黑粉末或碳黑粉末与碳纤维的混合物、去离子水、分散剂配置成均匀浆料，其中各组分的用量为：碳黑粉末或碳黑粉末与碳纤维的混合物为浆料的10-20wt％，分散剂为碳纤维材料的5-30wt％，在浆料中加入PTFE乳液，搅拌0.5-2小时，其中PTFE乳液的用量为碳黑粉末或碳黑粉末与碳纤维的混合物的1050wt％；然后加入粘度调节剂，将浆料的粘度调节至1000-30000cps，即得到碳黑浆料；
3)将所述扩散层基体放入PTFE乳液中浸渍0.5-15min，取出晾干，并放入干燥箱在50-150℃烘干，在300-390℃烧结20-60min，得到载有PTFE的扩散层基体；
4)利用丝网印刷、涂布、喷涂的方法分别或依次将碳纤维浆料和碳黑浆料涂覆到载有PTFE的扩散层基体，然后在300-390℃下烧结20-60min，获得所述气体扩散层。
所述分散剂为XH-1、AEO-9、FC4430、Tween-60、Triton X-100中的一种或几种。所述碳基为碳纸或碳布，型号为：TORY、SGL、GORE。所述碳黑粉末为乙炔黑或/和活性炭。所述PTFE乳液为含量为10-50wt％的PTFE乳液。所述粘度调节剂为聚乙二醇、乙二醇、甘油、纤维素中的一种或几种。
实施例1
称取60％的PTFE乳液60.0080g于250mL烧杯中，加入60-180g去离子水，磁力搅拌子搅拌约15min，使其分散均匀。将10-30％的PTFE溶液倒入洁净的培养皿中，把裁好的碳纸或碳布(清洗、烘干、称重)水平浸入溶液中，然后放入真空烘箱中，调节真空度到200Pa，浸渍1min后取出碳纸，用滤纸吸干碳纸或碳布边缘的溶液，然后水平晾干(约6min)。再将碳纸或碳布放入高温烘箱中，设定温度70℃，约6min烘干取出。再把碳或碳布纸置于烘箱中350℃烧结30min，使PTFE的负载量为1-10mg.cm-2。
用50ml烧杯称取3.0g碳纤维粉末。在100ml烧杯中加入9ml去离子水，向其中加入一定浓度的分散剂，如XH-1、AEO 9、FC4430、Tween-60、Triton X-100等。用超声波细胞粉碎机分散的方法，将碳纤维粉末分散入上述去离子水中。用1ml蒸馏水冲洗超声头，冲洗的溶液流进烧杯中。将上述烧杯放入大功率超声波清洗机中，保证水槽中的水没至烧杯的一半高度，超声搅拌1小时。上述溶液中逐滴加入60％的PTFE乳液0.5-1g，继续搅拌0.5小时。在高频率超声波清洗中，将一定量的增稠剂如聚乙二醇、甘油等逐滴加入制备好的扩散层浆料中，超声20min，再将一定量的异丙醇加入上述浆料中，最后获得粘度约为1000-30000cps的扩散层浆料。
将此浆料用涂布或丝网印刷的方法涂覆到上述经过处理的碳纸或碳布的表面，获得碳纤维层1(如图2所示)。碳纤维层1碳纤维负载量为0.5-2mgcm-2，厚度为10-30微米。
实施例2
称取60％的PTFE乳液60.0080g于250mL烧杯中，加入60-180g去离子水，磁力搅拌子搅拌约15min，使其分散均匀。将10-30％的PTFE溶液倒入洁净的培养皿中，把裁好的碳纸或碳布(清洗、烘干、称重)水平浸入溶液中，然后放入真空烘箱中，调节真空度到200Pa，浸渍1min后取出碳纸，用滤纸吸干碳纸或碳布边缘的溶液，然后水平晾干(约6min)。再将碳纸或碳布放入高温烘箱中，设定温度70℃，约6min烘干取出。再把碳或碳布纸置于烘箱中350℃烧结30min，使PTFE的负载量为1-10mg.cm-2。
用200ml烧杯称取3-20g乙炔黑粉末或其它碳黑，向其中加入一定浓度的分散剂，如XH-1、AEO-9、FC4430、Tween-60、Triton X-100等，用玻棒将粉末搅拌成面团状。在2500ml烧杯中，加入200-500ml浓度为0.5-10％的上述分散剂，再加入一定量的蒸馏水。用高剪切乳化机搅拌溶液，并每隔2min将面团状的碳黑分10次加入上述烧杯中。全部加入之后，继续剪切30min。上述溶液中逐滴加入60％的PTFE乳液0.5-1g，继续搅拌0.5小时。在高频率超声波清洗中，将一定量的增稠剂如聚乙二醇、甘油等逐滴加入制备好的扩散层浆料中，超声20min，再将一定量的异丙醇加入上述浆料中，最后获得粘度约为1000-30000cps的扩散层浆料。
将此浆料用涂布或丝网印刷的方法涂覆到上述经过处理的碳纸或碳布的表面，获得碳黑层2(如图3所示)。碳黑层2负载量为0.5-2mgcm-2，厚度为10-30微米。
实施例3
按照实施例1和2的方法制备好扩散层浆料，用涂布或丝网印刷的方法依次将实施例2和实施例1的浆料涂覆到经过处理的碳纸或碳布的表面(如图4所示)。碳黑层2和碳纤维层1的总厚度为10-30微米，总碳黑和碳纤维负载量为0.5-2mgcm-2。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种气体扩散层的制备方法，所述气体扩散层包括：微孔直径为30-100微米的碳黑层（2）和微孔直径为50-150微米碳纤维层（1），所述碳黑层的微孔孔径小于碳纤维层的微孔孔径，其特征在于，制备步骤如下：
1）将碳纤维材料、分散剂和去离子水配置成均匀浆料，其中各组分的用量为：碳纤维材料为浆料的5-30wt%，分散剂为碳纤维材料的5-30wt%；在浆料中加入PTFE乳液，搅拌0.5-2小时，其中PTFE乳液的用量为碳纤维材料的10-50wt%；然后加入粘度调节剂，将浆料的粘度调节至1000-30000cps，即得到碳纤维浆料；
2）将碳黑粉末或碳黑粉末与碳纤维的混合物、去离子水、分散剂配置成均匀浆料，其中各组分的用量为：碳黑粉末或碳黑粉末与碳纤维的混合物为浆料的10-20wt%，分散剂为碳纤维材料的5-30wt%，在浆料中加入PTFE乳液，搅拌0.5-2小时，其中PTFE乳液的用量为碳黑粉末或碳黑粉末与碳纤维的混合物的10-50wt%；然后加入粘度调节剂，将浆料的粘度调节至1000-30000cps，即得到碳黑浆料；
3）将扩散层基体放入PTFE乳液中浸渍0.5-15min，取出晾干，并放入干燥箱在50-150℃烘干，在300-390℃烧结20-60min，得到载有PTFE的扩散层基体；
4）利用丝网印刷、涂布的方法依次将碳纤维浆料和碳黑浆料涂覆到载有PTFE 的扩散层基体上，然后在300-390℃下烧结20-60min，获得所述气体扩散层。
2.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述分散剂为XH-1、AE0-9、FC4430、Tween-60、Triton X-100中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述扩散层基体为碳纸、碳布、不锈钢网、镍网、铜网中的一种。
4.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述碳黑粉末为乙炔黑或/和活性炭。
5.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述PTFE乳液为含量为10-50wt%的PTFE乳液。
6.根据权利要求1所述的气体扩散层的制备方法，其特征在于，所述粘度调节剂为聚乙二醇、乙二醇、甘油、纤维素中的一种或几种。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1572040A (zh) * | 2001-10-15 | 2005-01-26 | 纳幕尔杜邦公司 | 吸收了聚胺以降低甲醇渗透性的用于燃料电池的固体聚合物隔膜 |
| CN1734812A (zh) * | 2005-06-08 | 2006-02-15 | 武汉理工大学 | 一种燃料电池用气体扩散层材料及制备方法 |
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| JP2002110191A (ja) * | 2000-09-27 | 2002-04-12 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 直接メタノール型燃料電池 |
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Patent Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN1572040A (zh) * | 2001-10-15 | 2005-01-26 | 纳幕尔杜邦公司 | 吸收了聚胺以降低甲醇渗透性的用于燃料电池的固体聚合物隔膜 |
| CN1734812A (zh) * | 2005-06-08 | 2006-02-15 | 武汉理工大学 | 一种燃料电池用气体扩散层材料及制备方法 |
| CN101022164A (zh) * | 2007-01-19 | 2007-08-22 | 南京大学 | 燃料电池气体扩散层的制备方法 |
| CN101188302A (zh) * | 2007-12-07 | 2008-05-28 | 哈尔滨工业大学 | 振动法制备质子交换膜燃料电池膜电极组件的方法 |
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