[发明专利]一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法

说明书

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法。包括如下制备过程：（1）将裹覆发泡剂的氯化钠分为三个粒径等级的颗粒；（2）将大粒径颗粒、碳纤维、聚合物、木质纤维、分散剂混合得到A料；（3）将中粒径颗粒、多孔碳黑、聚合物、分散剂混合得到B料；（4）将小粒径颗粒、石墨、石墨烯、聚合物、分散剂混合得到C料；（5）将A料、B料、C料制成微发泡共挤膜；（6）将微发泡共挤膜浸水清洗，得到燃料电池梯度气体扩散层碳膜。本发明的方法实现了连续可控制备具有梯度空隙的碳膜，对催化剂具有良好的支撑性，同时可有效阻止催化剂的损失和水淹，保证了气体和水的快速传输，提升了使用性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，公开了一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法。

背景技术

随着全球能源及环境问题日益严重，高效、环境友好、清洁的新能源技术被认为是21世纪最有发展潜力的新技术。其中，质子交换膜燃料电池由于具有高的功率密度、高的能量转换效率、低温启动、无污染、体积轻巧、对压力变化不敏感及电池寿命长等诸多优点，被认为是首选的洁净、高效的发电装置。在新能源汽车领域具有巨大的应用潜力。

燃料电池中，膜电极组件（MEA）是核心元件，其不但原料成本高，而且制备复合工艺要求高。膜电极组件是以质子交换膜为夹层中心，在两侧分别复合催化层、气体扩散层而形成的扩散层-催化层-质子交换膜-催化层、扩散层结构的组合件。

燃料电池扩散层是影响电池性能的关键部件，其主要作用有：支撑催化剂和膜结构；均匀分布气体；支撑整体结构，同时扩散层又是气体、电子和水的传输通道。因此要求扩散层兼具导电、多孔、疏水、强度的综合特性。目前，气体扩散层基底材料主要有碳纤维纸，碳纤维编织布、碳无纺布等。其中，碳纸较脆，影响使用，而且成本高、制备能耗高；碳布则过于软，挺度低制备工艺复杂，容易变形。而将碳材料与聚合物热塑化挤出压延可以实现良好的成型，大幅简化了成型工艺，实现了规模化、低成本制备柔性碳纸，成为目前研究的热点课题。

中国发明专利申请号201310504496.1公开了一种燃料电池气体扩散层专用高性能碳纸及其制备方法，碳纸以短切碳纤维、植物纤维、热粘合纤维和炭黑为原料，经疏解、打浆和配浆后用湿法造纸工艺抄纸，然后经防水涂料涂布处理制成，各原料的配比以重量份计如下：短切碳纤维65~75份，植物纤维10~15份，热粘合纤维10~15份和炭黑0~10份。

中国发明专利申请号200810137131.9公开了一种用于燃料电池的气体扩散层及其制备方法。该气体扩散层中的多孔材料层由多孔纤维层和生长在多孔纤维层的纤维上的碳纳米须组成，制备方法为：清洗并干燥多孔纤维层；在纤维表面负载钴、镍或钴镍合金的纳米颗粒；在纤维表面生长碳纳米须；憎水处理;；将浆料涂覆在支撑层的表面上再烧结。

根据上述，现有方案中用于燃料电池气体扩散层的碳纤维纸，碳纤维编织布、碳无纺布等机械性能差、制备工艺复杂，而将碳材料与聚合物热塑化挤出压延的方法虽然改善了机械性能，但发泡过程难以控制，孔隙分布差，透气性不理想。

发明内容

目前应用较广的燃料电池气体扩散层使用的挤出压延碳膜，存在透气性较差的缺陷，并且使用发泡处理时其空隙大小难以控制，无法满足燃料电池扩散层的要求，因此，本发明提出了一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，可有效解决上述技术问题。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种多层挤出制备燃料电池梯度气体扩散层碳膜的方法，制备的具体过程为：

（1）先将氯化钠与发泡剂送入涡旋气流粉碎机，在主轴转速为4000~4500r/min下研磨20~30min，使发泡剂均匀裹覆于氯化钠颗粒表面，然后将制得的裹覆发泡剂的氯化钠经三级旋风分离器分为三个粒径等级：20~30μm、10~15μm、3~5μm，备用；