CN112271302B - 一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池的技术领域，提供了一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层及制备方法。该方法将聚丙烯腈纤维利用氨基磺酸液浸泡疏松后，分别配制A浆料和B浆料，然后先将B浆料涂覆于衬底后，继续涂覆A浆料，经过瞬时向上处理，然后依次在空气气氛中热处理和真空条件下高温烧结，制得燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层。与传统方法相比，本发明制备的气体扩散层，通过在陶瓷中镶嵌碳纤维，导电性好，具有优异的透气性，性能稳定，使用寿命长，疏水性好，排水性能优异，易于气体扩散，耐气体冲击性能优异，可广泛用于燃料电池领域。

Description

一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层及制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池的技术领域，提供了一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层及制备方法。
背景技术
燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，近年来成为各国研究开发的热点。其核心部件膜电极是由气体扩散层、催化层和质子交换膜通过热压工艺制备而成。其中，气体扩散层由导电的多孔材料组成,起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多重作用,实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配,是影响电极性能的关键部件之一。
气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，基底层通常使用多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维非纺材料及碳黑纸，主要起到支撑微孔层的催化层的作用，微孔层主要是改善基底层孔隙结构的一层碳粉，目的是降低催化层和基底层之间的接触电阻，使得流道气体以及产生水均布分配。作为具有导电性的多孔构件的气体扩散层通常设置在电极和隔离膜之间。气体扩散层用于在电极层和外部电路之间稳定地转移氢气、氧气、水、电子和热等。
由于燃料电池是将氢与氧反应而生成水时产生的能量以电的形式导出的***，所以若电负荷增大，即向电池外部导出的电流增大，则产生大量的水（水蒸气），若该水蒸气在低温下凝结成水滴，阻塞气体扩散电极的细孔，则气体(氧或氢)向催化剂层的供给量降低，最终全部细孔阻塞。为了尽可能提升气体扩散电极排水性。目前通常使用对导电性多孔基材实施了疏水处理来提高疏水性。但燃料电池在工作时，发生微孔层的摩擦、损伤，因此还进一步要求对于摩擦的耐性。因此，燃料电池气体扩散层的研究广受人们关注。
目前国内外在燃料电池气体扩散层技术，尤其是碳纤维气体扩散层方面已取得了一定成效。其中 张学军等人发明了一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的制备方法（中国发明专利申请号200810115729.8），此发明通过将碳纤维毡片浸渍酚醛树脂的乙醇溶液中得到碳纤维毡片酚醛树脂预浸料；将预浸料模压制得碳纤维纸坯体后进行低温碳化处理；再次用酚醛树脂的乙醇溶液浸渍并固化；最后于高温碳化处理制得燃料电池气体扩散层用碳纤维纸。另外， 顾军等人发明了一种气体扩散层及其制备方法和用途（中国发明专利申请号200910259752.9），包括：微孔直径为30~100μm的碳黑层（2）和/或微孔直径为50~150μm碳纤维层（1）。
可见，现有技术中的用于气体扩散层的碳纤维纸容易发脆，耐冲击强度低，并且载碳粉在气流摩擦时极易脱落并阻塞微孔，不但损失催化剂，而且阻塞排水和气流输送，存在疏水性较差等缺点。
发明内容
针对这种情况，我们提出一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层及制备方法，可有效改善气体扩散层的疏水性和排水性，并且透气性好，耐气体冲击能力良好。
为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：
一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层的制备方法，将聚丙烯腈纤维利用氨基磺酸液浸泡疏松后，分别配制A浆料和B浆料，然后先将B浆料涂覆于衬底后，继续涂覆A浆料，经过瞬时向上处理，然后依次在空气气氛中热处理和真空条件下高温烧结，制得燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层，制备的具体步骤如下：
（1）将长度为1~2mm的聚丙烯腈纤维加入氨基磺酸水溶液中，充分浸泡疏松，然后烘干，得到疏松纤维；
（2）取步骤（1）制得的疏松纤维，与颗粒粒径为5~100nm的氧化铝粉末、硅酮粉加入固含量为10~15%的硅溶胶中，分散均匀，得到A浆料；
（3）取步骤（1）制得的疏松纤维，与颗粒粒径为10~15μm的氮化硼粉末、颗粒粒径为10~15μm的氧化铝粉末加入固含量为10~15%的硅溶胶中，分散均匀，得到B浆料；
（4）将步骤（3）得到的B浆料涂覆于氮化铝衬底上，然后涂覆步骤（2）得到的A浆料，自然放置后，以一定的加速度瞬时向上处理，利用不同粒径粉体沉降速率不同形成梯度涂层，同时，疏松的纤维在加速度作用下竖直整理，得到处理后的涂层；
（5）将步骤（4）得到的涂层在空气气氛中热处理，然后在真空条件下进行高温烧结，使得疏松的纤维碳化形成碳纤维，并镶嵌在微孔梯度陶瓷中，剥离衬底，即得燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层。
优选的，步骤（1）中各原料的重量份为，聚丙烯腈纤维20~40重量份、氨基磺酸水溶液60~80重量份；所述氨基磺酸水溶液的质量浓度为0.5~10%。
优选的，步骤（2）中各原料的重量份为，疏松纤维20~25重量份、氧化铝粉末15~18重量份、硅酮粉5~9重量份、硅溶胶48~60重量份。
优选的，步骤（3）中各原料的重量份为，疏松纤维20~25重量份、氮化硼粉末6~10重量份、氧化铝粉末14~18重量份、硅溶胶47~60重量份。
优选的，步骤（4）所述A浆料的涂覆厚度为1~2mm，所述B浆料涂覆厚度为1~2mm。
优选的，步骤（4）所述自然放置的时间为5~8min。
优选的，步骤（4）所述瞬时向上处理的加速度的10~15m/s2。
优选的，步骤（5）所述热处理的温度为300~500℃，时间为30~40min。
优选的，步骤（5）所述高温烧结的温度为1200~1400℃，时间为1~2h。
本发明在形成微孔陶瓷的同时，在陶瓷中镶嵌碳纤维，碳纤维具有疏松孔，不但导电性好，而且具有优异透气性，碳纤维烧结在微孔陶瓷内，不脱落，使用寿命长，同时陶瓷较佳的疏水性赋予气体扩散层良好的排水性。特别是通过加速不同粒径的微粒分布在涂层的上下层，形成梯度孔，易于气体的扩散，防止微孔堵塞。同时碳纤维以竖直排例,利于透气和导电。
本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层。该气体扩散层是将聚丙烯腈纤维利用氨基磺酸液浸泡疏松后，分别配制A浆料和B浆料，然后先将B浆料涂覆于衬底后，继续涂覆A浆料，经过瞬时向上处理，然后依次在空气气氛中热处理和真空条件下高温烧结而制得。
本发明提供了一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1.本发明制备的气体扩散层，综合性能优异，可广泛用于燃料电池领域。
2.本发明的制备方法，通过在陶瓷中镶嵌碳纤维，导电性好，具有优异的透气性，性能稳定，使用寿命长。
3.本发明的制备方法，利用陶瓷较佳的疏水性赋予了气体扩散层良好的排水性，并且形成梯度孔易于气体的扩散，防止微孔堵塞，具有优异的耐气体冲击性能。
附图说明
图1：本发明得到的碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层的示意图，其中1-B涂层；2-A涂层；3-竖直镶嵌的碳纤维。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
将60g长度为1mm的聚丙烯腈纤维加入140g、质量浓度为5%为氨基磺酸水溶液中，充分浸泡疏松，然后烘干，得到疏松纤维；然后取21g疏松纤维，与16g颗粒粒径为20nm的氧化铝粉末、6g硅酮粉加入57g固含量为11%的硅溶胶，分散均匀，得到A浆料，同时取21g疏松纤维，与7g颗粒粒径为11μm的氮化硼粉末、15g颗粒粒径为11μm的氧化铝粉末加入57g固含量为11%的硅溶胶，分散均匀，得到B浆料；然后将B浆料涂覆于氮化铝衬底，涂覆平均厚度为1mm，然后涂覆A浆料，平均厚度为1mm，自然放置6min后，以11m/s2的加速度瞬时向上处理，得到处理的涂层；然后将涂层空气气氛中升温到350℃热处理38min，在真空条件下升温到1200℃进行2h的高温烧结，剥离衬底，即得燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层。
如附图1所示，碳纤维竖直镶嵌在陶瓷层，其中1是B涂层；2是A涂层；3是竖直镶嵌的碳纤维。
测试方法
（1）气体透过阻力：利用水蒸气进行测试，设备采用C330水蒸气透过测试***，在室温下进行试验，测试得到本发明制得的气体扩散层的气体透过阻力；
（2）接触角（疏水性）：直接采用KRUSS德国克吕士接触角/水滴角测量仪测试气体扩散层表面的水接触角，所得数据如表1所示。
实施例2
将50g长度为2mm的聚丙烯腈纤维加入150g、质量浓度为10%为氨基磺酸水溶液中，充分浸泡疏松，然后烘干，得到疏松纤维；然后取24g疏松纤维，与17g颗粒粒径为80nm的氧化铝粉末、8g硅酮粉加入51g固含量为14%的硅溶胶，分散均匀，得到A浆料，同时取24g疏松纤维，与9g颗粒粒径为14μm的氮化硼粉末、17g颗粒粒径为14μm的氧化铝粉末加入50g固含量为14%的硅溶胶，分散均匀，得到B浆料；然后将B浆料涂覆于氮化铝衬底，涂覆平均厚度为2mm，然后涂覆A浆料，平均厚度为2mm，自然放置7min后，以14m/s2的加速度瞬时向上处理，得到处理的涂层；然后将涂层空气气氛中升温到450℃热处理33min，在真空条件下升温到1200℃进行1h的高温烧结，剥离衬底，即得燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例3
将80g长度为1mm的聚丙烯腈纤维加入120g、质量浓度为2%为氨基磺酸水溶液中，充分浸泡疏松，然后烘干，得到疏松纤维；然后取23g疏松纤维，与17g颗粒粒径为50nm的氧化铝粉末、7g硅酮粉加入53g固含量为13%的硅溶胶，分散均匀，得到A浆料，同时取23g疏松纤维，与7g颗粒粒径为13μm的氮化硼粉末、15g颗粒粒径为13μm的氧化铝粉末加入55g固含量为13%的硅溶胶，分散均匀，得到B浆料；然后将B浆料涂覆于氮化铝衬底，涂覆平均厚度为1mm，然后涂覆A浆料，平均厚度为1mm，自然放置7min后，以13m/s2的加速度瞬时向上处理，得到处理的涂层；然后将涂层空气气氛中升温到380℃热处理38min，在真空条件下升温到1200℃进行2h的高温烧结，剥离衬底，即得燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例4
将60g长度为1mm的聚丙烯腈纤维加入240g、质量浓度为6%为氨基磺酸水溶液中，充分浸泡疏松，然后烘干，得到疏松纤维；然后取25g疏松纤维，与18g颗粒粒径为100nm的氧化铝粉末、9g硅酮粉加入48g固含量为15%的硅溶胶，分散均匀，得到A浆料，同时取25g疏松纤维，与10g颗粒粒径为15μm的氮化硼粉末、18g颗粒粒径为15μm的氧化铝粉末加入47g固含量为15%的硅溶胶，分散均匀，得到B浆料；然后将B浆料涂覆于氮化铝衬底，涂覆平均厚度为1mm，然后涂覆A浆料，平均厚度为1mm，自然放置8min后，以15m/s2的加速度瞬时向上处理，得到处理的涂层；然后将涂层空气气氛中升温到500℃热处理30min，在真空条件下升温到1250℃进行1h的高温烧结，剥离衬底，即得燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
实施例5
将70g长度为1mm的聚丙烯腈纤维加入130g、质量浓度为8%为氨基磺酸水溶液中，充分浸泡疏松，然后烘干，得到疏松纤维；然后取20g疏松纤维，与15g颗粒粒径为10nm的氧化铝粉末、5g硅酮粉加入60g固含量为10%的硅溶胶，分散均匀，得到A浆料，同时取20g疏松纤维，与6g颗粒粒径为10μm的氮化硼粉末、14g颗粒粒径为10μm的氧化铝粉末加入60g固含量为10%的硅溶胶，分散均匀，得到B浆料；然后将B浆料涂覆于氮化铝衬底，涂覆平均厚度为1mm，然后涂覆A浆料，平均厚度为1mm，自然放置5min后，以10m/s2的加速度瞬时向上处理，得到处理的涂层；然后将涂层空气气氛中升温到300℃热处理40min，在真空条件下升温到1300℃进行2h的高温烧结，剥离衬底，即得燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
对比例1
将70g长度为1mm的聚丙烯腈纤维加入130g、质量浓度为8%为氨基磺酸水溶液中，充分浸泡疏松，然后烘干，得到疏松纤维；然后取20g疏松纤维，与15g颗粒粒径为10nm的氧化铝粉末、5g硅酮粉加入60g固含量为10%的硅溶胶，分散均匀，得到A浆料，同时取20g疏松纤维，与6g颗粒粒径为10μm的氮化硼粉末、14g颗粒粒径为10μm的氧化铝粉末加入60g固含量为10%的硅溶胶，分散均匀，得到B浆料；然后将B浆料涂覆于氮化铝衬底，涂覆平均厚度为1mm，然后涂覆A浆料，平均厚度为1mm，自然放置5min后，然后将涂层空气气氛中升温到300℃热处理40min，在真空条件下升温到1300℃进行2h的高温烧结，剥离衬底，即得燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层。
气体扩散层制备过程中，未对涂层进行瞬时向上处理，其他制备条件与实施例5一致。
测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。
表1：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
通过测试，本发明通过使碳纤维镶嵌在陶瓷中作燃料电池的气体扩散层，由于瞬时对涂层进行加速处理，不同粒径的微粒分布在涂层的上下层，形成梯度孔，易于气体的扩散，防止微孔堵塞。同时碳纤维以竖直排例,利于透气。

Claims (10)

1.一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层的制备方法，其特征在于，将聚丙烯腈纤维利用氨基磺酸液浸泡疏松后，分别配制A浆料和B浆料，然后先将B浆料涂覆于衬底后，继续涂覆A浆料，经过瞬时向上处理，然后依次在空气气氛中热处理和真空条件下高温烧结，制得燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层，制备的具体步骤如下：
（1）将长度为1~2mm的聚丙烯腈纤维加入氨基磺酸水溶液中，充分浸泡疏松，然后烘干，得到疏松纤维；
（2）取步骤（1）制得的疏松纤维，与颗粒粒径为5~100nm的氧化铝粉末、硅酮粉加入固含量为10~15%的硅溶胶中，分散均匀，得到A浆料；
（3）取步骤（1）制得的疏松纤维，与颗粒粒径为10~15μm的氮化硼粉末、颗粒粒径为10~15μm的氧化铝粉末加入固含量为10~15%的硅溶胶中，分散均匀，得到B浆料；
（4）将步骤（3）得到的B浆料涂覆于氮化铝衬底上，然后涂覆步骤（2）得到的A浆料，自然放置后，以一定的加速度瞬时向上处理，利用不同粒径粉体沉降速率不同形成梯度涂层，同时，疏松的纤维在加速度作用下竖直整理，得到处理后的涂层；
（5）将步骤（4）得到的涂层在空气气氛中热处理，然后在真空条件下进行高温烧结，使得疏松的纤维碳化形成碳纤维，并镶嵌在微孔梯度陶瓷中，剥离衬底，即得燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层。
2.根据权利要求1所述一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层的制备方法，其特征在于：步骤（1）中各原料的重量份为，聚丙烯腈纤维20~40重量份、氨基磺酸水溶液60~80重量份；所述氨基磺酸水溶液的质量浓度为0.5~10%。
3.根据权利要求1所述一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层的制备方法，其特征在于：步骤（2）中各原料的重量份为，疏松纤维20~25重量份、氧化铝粉末15~18重量份、硅酮粉5~9重量份、硅溶胶48~60重量份。
4.根据权利要求1所述一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层的制备方法，其特征在于：步骤（3）中各原料的重量份为，疏松纤维20~25重量份、氮化硼粉末6~10重量份、氧化铝粉末14~18重量份、硅溶胶47~60重量份。
5.根据权利要求1所述一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述A浆料的涂覆厚度为1~2mm，所述B浆料涂覆厚度为1~2mm。
6.根据权利要求1所述一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述自然放置的时间为5~8min。
7.根据权利要求1所述一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述瞬时向上处理的加速度为10~15m/s2。
8.根据权利要求1所述一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述热处理的温度为300~500℃，时间为30~40min。
9.根据权利要求1所述一种燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述高温烧结的温度为1200~1400℃，时间为1~2h。
10.权利要求1~9任一项所述制备方法制备得到的燃料电池用碳纤维镶嵌陶瓷气体扩散层。
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