專利名稱：一種燃料電池多孔基層的疏水化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池多孔基層的疏水化處理方法。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種新型的發(fā)電技術(shù)，具有工作溫度低、無污染、無腐蝕、比 功率大、啟動(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。氣體擴(kuò)散層(GDL)是質(zhì)子 交換膜燃料電池的重要組成部分， 一般將其放置在燃料電池中的催化電極和流場(chǎng)通道之間， 它們?yōu)榉磻?yīng)物和產(chǎn)物提供滲透性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性以及燃料電池正常工作所需的機(jī)械強(qiáng)度。 在PEMFC中最廣泛使用的擴(kuò)散層介質(zhì)是碳纖維材料，如無紡布、碳布、石墨化的碳纖維紙， 雖然碳纖維本身是相對(duì)疏水的，但是常常需要提高其疏水性或者至少用更加穩(wěn)定的疏水涂層 來處理所述碳纖維，以在擴(kuò)散層內(nèi)生成兩種通道憎水的反應(yīng)氣體通道和親水的液態(tài)水傳遞 通道。向碳纖維擴(kuò)散層加入疏水劑如聚四氟乙烯(PTFE)是用來提高疏水性的常用方法。
PTFE的加入有多種方式，通常是采用將基底材料浸漬到一定濃度的PTFE水溶液中一段時(shí) 間，取出后自然滴干、晾干，去除其中的水。反復(fù)進(jìn)行數(shù)次上述浸泡-干燥過程，直至PTFE 含量達(dá)到設(shè)定值，然后移至烘箱中慢慢烘干，最后于35(TC燒結(jié)，使PTFE熔融同時(shí)除去表面 活性劑，PTFE熔融形成PTFE膜覆蓋于碳纖維表面，實(shí)現(xiàn)碳紙的疏水性。這種方法簡單易行， 但需要進(jìn)行反復(fù)浸泡-干燥過程，浪費(fèi)時(shí)間。
美國專利US5137754公開了一種新的憎水處理方法，將平均分子量為250000的聚乙烯溶 于庚烷中，配成一種成膜溶液，將基底材料，如碳纖維紙浸入其中，待庚烷揮發(fā)后在碳紙上 形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5。/。的PE涂層，然后將這種具有聚乙烯涂層的碳紙放入不銹鋼反應(yīng)器中，在室 溫條件、含10。/。氬氣的氟氣氣氛中氟化約30min，獲得性能優(yōu)異的憎水材料。通過實(shí)驗(yàn)比較發(fā) 現(xiàn)用這種憎水處理方法比用PTFE乳液浸漬的方法制得的憎水材料的憎水性能更好。但是這種 方法工藝過程比較復(fù)雜。另一種由日本豐田研究所發(fā)明的憎水處理方法是將基底材料暴露在一種經(jīng)等離子體處理 過的碳氟化合物氣體中，使表面沉積一層憎水材料。然而這種方法需要特別設(shè)計(jì)大型設(shè)備， 不適合大規(guī)模生產(chǎn)。
因此，需要一種簡單、快速、可以控制憎水劑上載量的方法，并且用此方法處理的碳纖 維材料的疏水性能良好、穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池多孔基層的疏水化處理方法，具有簡單、快速、憎 水劑上載量可控等特點(diǎn)，并且由此制備的氣體擴(kuò)散層的疏水性能穩(wěn)定。
其具體技術(shù)方案如下 一種燃料電池多孔基層的疏水化處理方法，包括 如下步驟
1) 將多孔基層浸入l^ 8wt^的疏水溶液中，充分浸潤10s 5min后，取出，干燥；
2) 將干燥后的多孔基層置于烘箱中，于30(TC 40(TC下燒結(jié)，疏水溶液的上載量是1% 14wt%。
所述的多孔基層可以是碳紙或碳布。
所述的疏水溶液主要由疏水組分構(gòu)成，所述的疏水組分可以是含氟聚合物，如聚四氟乙 烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)或氟化聚合物，也可以是任何其他適 合的疏水性材料或其組合。
根據(jù)多孔基層材料疏水性能的要求，配制合適濃度的疏水溶液，多孔基層的浸漬次數(shù)以 及最終疏水組分的上載量直接取決于溶液濃度。當(dāng)所述的疏水溶液的濃度低于1 wt %時(shí)，則 同樣的上載量需要多次浸漬， 一定程度上造成了時(shí)間上的浪費(fèi)；當(dāng)所述的疏水溶液的濃度高 于8wt^時(shí)，則同樣的浸漬次數(shù)下，疏水組分的上載量較難控制。
所述的多孔基層在疏水溶液中的浸漬時(shí)間若小于10s，浸漬不均勻，若大于5min，則由 于其很快達(dá)到飽和，浸漬時(shí)間過長對(duì)單次浸漬量并無影響， 一定程度上造成了時(shí)間上的浪費(fèi)
步驟l)所述的干燥可以是通過45 8(TC的吹風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)吹干、自然晾干、或在45 150 °C下用鼓風(fēng)烘箱或紅外加熱器烘干。
將干燥后的多孔基層進(jìn)行燒結(jié)，是為了除去疏水溶液中的表面活性劑成分，實(shí)現(xiàn)多孔基 層的疏水性。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的燃料電池多孔基層的疏水化處理方法簡單、快速、憎水劑上 載量可控，并且由此制備的氣體擴(kuò)散層的疏水性能穩(wěn)定。


圖l是本發(fā)明的疏水處理前后的碳紙接觸角比較圖； 圖2是本發(fā)明的疏水溶液的濃度與上載量之間的關(guān)系示意圖。
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，但不限于本 實(shí)施例的內(nèi)容。 實(shí)施例l
配制濃度為lwt。/。的PTFE乳液，將TGP-H-060碳紙浸入該溶液中，充分浸潤10s后，取出， 通過45。C的吹風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)吹干，然后置于烘箱中在30(TC下燒結(jié)30min， PTFE的上載量為2wt %;碳紙疏水化處理前后的接觸角比較如圖l所示。
實(shí)施例2
配制濃度為3. 5wt"/。的PVDF溶液，將碳布浸入該溶液中，充分浸潤5min后，取出，自然晾 干后，置于烘箱中在400。C下燒結(jié)30min， PVDF的上載量為6. 5wt%。 實(shí)施例3
配制濃度為3. Owt。/。的PVF溶液，將碳布浸入該溶液中，充分浸潤lmin后，取出，在15(TC 下用鼓風(fēng)烘箱烘干，然后置于烘箱中在35(TC下燒結(jié)30min， PVF的上載量為6. Owt% 。 實(shí)施例4
配制濃度為8wt。/。的PTFE乳液，將TGP-H-060碳紙浸入該溶液中，充分浸潤2min后，取出 ，在10(TC下用紅外加熱器烘干，然后置于烘箱中在35(TC下燒結(jié)30min， PTFE的上載量為 14wt%。
實(shí)施例5
配制濃度為5. Owt。/。的PTFE乳液，將TGP-H-060碳紙浸入該溶液中，充分浸潤2min后，取 出，通過8(TC的吹風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)吹干，然后置于烘箱中在32(TC下燒結(jié)30min， PTFE的上載量為 9wt % 。
實(shí)施例6
配制濃度為6. Owt。/。的PTFE乳液，將碳布浸入該溶液中，充分浸潤30s后，取出，在45。C 下用鼓風(fēng)烘箱烘干，然后置于烘箱中在40(TC下燒結(jié)30min， PTFE的上載量為13wt^。實(shí)施例7
配制濃度為3. 6wt。/。的PTFE乳液，將TGP-H-090碳紙浸入該溶液中，充分潤濕40s后，取出 ，通過6(TC的吹風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)吹干，然后再一次浸入該溶液中，充分浸潤20s，取出，吹干， 最后置于烘箱中在380。C下燒結(jié)30min， PTFE上載量為13wt0/。。
實(shí)施例8
配制濃度為3. Owt。/。的PTFE乳液，將TGP-H-090碳紙浸入該溶液中，充分浸潤30s后，取出 ，在9(TC下用紅外加熱器烘干，重復(fù)浸潤、烘干3次，然后置于烘箱中在38(TC下燒結(jié)30min ，PTFE上載量為14wt0/。。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池多孔基層的疏水化處理方法，其特征在于包括如下步驟1)將多孔基層浸入1％～8wt％的疏水溶液中，充分浸潤10s～5min后，取出，干燥；2)將干燥后的多孔基層置于烘箱中，于300℃～400℃下燒結(jié)，疏水溶液的上載量是1％～14wt％。
2 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池多孔基層的疏水化處理方法，其特 征在于所述的多孔基層是碳紙或碳布。
3 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池多孔基層的疏水化處理方法，其特 征在于所述的疏水溶液主要由疏水組分構(gòu)成。
4 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池多孔基層的疏水化處理方法，其特 征在于所述的疏水組分是含氟聚合物。
5 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料電池多孔基層的疏水化處理方法，其特 征在于所述的含氟聚合物為聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF) 、氟化聚合物中的一種或幾種的混合物。
6 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池多孔基層的疏水化處理方法，其特 征在于步驟l)所述的干燥是通過45 8(TC的吹風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)吹干、自然晾干、或在45 15(TC 下用鼓風(fēng)烘箱或紅外加熱器烘干。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池多孔基層的疏水化處理方法，包括將多孔基層浸入1％～8wt％的疏水溶液中，充分潤濕10s～5min后，取出，干燥，然后將干燥的多孔基層置于烘箱中，于300℃～400℃下燒結(jié)，疏水溶液的上載量是1％～14wt％。本發(fā)明具有簡單、快速、憎水劑上載量可控等特點(diǎn)，并且由此制備的氣體擴(kuò)散層的疏水性能穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H01M4/88GK101587953SQ20081030172
公開日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者王磊磊, 白玉霞, 鋼 肖 申請(qǐng)人:漢能科技有限公司