一种具有多层梯次裂纹的碳电极及其制备方法

    技术2025-01-09  48


    本发明涉及燃料电池,特别是涉及一种具有多层梯次裂纹的碳电极及其制备方法。


    背景技术:

    1、燃料电池有高效率、低污染、低辐射、可靠性高、易于建设等优点,因此具有广阔的应用空间。燃料电池主要包含质子交换膜(pem)、催化层(cl)、微孔层(mpl)、气体扩散层(gdl)以及双极板(bp)等组成部分,其中,电极的催化剂层为细密均匀的肉眼可见的裂纹结构,在燃料电池中的气-液-固三相反应系统中,若电极疏水性能不足,则会发生水淹现象,导致大量的水堵塞电极催化剂层和多孔输运层的孔隙,造成电化学活性面积降低。这一系列不良影响会导致燃料电池性能下降甚至完全停止工作。总之,电极的水下浸润性调整(以疏水性为目标)是电池整体性能的关键,特别是在工业应用所涉及的大电流密度下,缺乏必要的抗电浸润能力,会使电解质溶液浸润电极,导致气体通道被堵塞,催化剂活性位点被屏蔽,使燃料电池性能大幅度下降,这也是阻碍燃料电池走向产业化应用的重要原因。因此,通过提高电极的疏水能力,增加燃料电池稳定性是当下研究重点之一。

    2、公开号为cn117543024a的一种有序梯级多孔碳电极及其制备方法,其公开了在电极内部形成有序梯级大孔和随机分布的小孔,在毛细力作用下电极内部形成气液分离通道,有效地提高电极内部的物质传输效率。同时,该发明还可以通过有序梯级大孔调节电极内部液态水的平衡,可以在低压条件保留液态水以满足质子交换膜的水合作用,并在高压条件下有效的排除过量的液态水防止电池内部的水淹,提高了电池的电化学性能。但该方案的制备工艺复杂,抗弯折能力与抗压能力差等机械性能差,不利于产业化应用。

    3、文献optimizing the hydrophobicity of gdl to improve the fuel cellperformance,zhou ke等制备了具有双mpl的gdl,通过合理分配聚四氟乙烯(ptfe)和炭黑的含量,对gdl进行梯度疏水处理,可在一定程度上提高电极疏水性,获得较好的水管理能力。但其存在催化剂层结构分层不明显,疏水性提升有限的缺点。

    4、文献anti-electrowetting carbon film electrode with self-sustainedaeration for industrial h2o2 electrosynthesis,lele cui等,展示了一种抗电润湿碳膜电极的概念,该电极通过结构上不连续地破坏传统的平面电催化剂膜,表现出较好的水下疏水性。但该发明受制于其单层结构,为形成特定的裂纹结构,其催化剂层的ptfe掺杂量几乎不可调节,其过多的使用ptfe在提升电极疏水性的同时也存在堵塞催化剂碳活性位点的风险。

    5、因此,亟需一种具有制备工艺简单、机械性能良好且具备很好的电极疏水性等优点的碳电极。


    技术实现思路

    1、本发明的目的是提供一种具有多层梯次裂纹的碳电极及其制备方法,能够保证优异的电极疏水能力的前提下,气流通道可控范围大,制备工艺简单,得到的碳电极具有良好的机械性能,且得到了微米级的裂纹结构,还提高了燃料电池稳定性。

    2、为实现上述目的,本发明提供了如下方案:

    3、一种具有多层梯次裂纹的碳电极的制备方法,包括以下步骤:

    4、s1、将聚四氟乙烯超声分散于溶剂中,得到混合悬浮液;

    5、s2、将步骤s1中得到的混合悬浮液和商业炭黑超声搅拌混合,得到涂覆浆料1;

    6、s3、将涂覆浆料1涂布于支持层上,高温烘干,得到具有一层裂纹的碳电极;

    7、s4、n次改变聚四氟乙烯与商业炭黑的质量比,或改变商业碳黑种类,重复步骤s1-s2,得到涂覆浆料n+1,n为大于等于1的自然数;

    8、s5、将所述涂覆浆料n+1涂布于所述具有n层裂纹的碳电极上,高温烘干,得具有n+1层梯次裂纹的碳电极。

    9、进一步的,所述溶剂包括乙醇、二甲基乙酰胺。

    10、进一步的,所述支持层选择商业碳纸、商业碳布、钢丝网任一种。

    11、进一步的,所述涂布采用凹版涂布、反向辊涂、刀辊涂层、计量棒涂布、槽模涂布、浸渍、幕帘涂层、气刀涂层工艺中的任一种。

    12、进一步的,所述涂覆浆料1或n的厚度为0.1mm-1.5mm。

    13、进一步的,所述溶剂的使用量为每100mg碳黑使用2ml-10ml相应量的溶剂。

    14、进一步的,超声搅拌温度范围为30℃-70℃,转速为100r/min-500r/min。

    15、进一步的,高温烘干的温度为150℃-500℃,烘干时间为0.5h-12h。

    16、进一步的,所述碳黑采用商业碳黑,所述商业碳黑包括卡博特炭黑ec300jd、卡博特炭黑xc-72r、xc-72、科琴黑碳粉ecp600j、科琴黑ec300j、石墨烯、多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管中的任意一种。

    17、本发明还提供了一种具有多层梯次裂纹的碳电极,通过所述具有多层梯次裂纹的碳电极的制备方法制备得到。

    18、根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:本发明提供的具有多层梯次裂纹的碳电极及其制备方法,通过更改碳黑与ptfe质量参杂比、碳黑种类、溶剂类型等方法得到具有多层裂纹结构的碳电极,这样不仅增加了电极表面的粗糙程度,还在电极内部形成有序梯级大裂纹层和小裂纹层,从而获得优异的疏水性能。而且得到的碳电极抗弯折能力、抗压能力等机械性能好,抗电浸润能力佳,电池稳定性能好。本发明得到的电极裂纹宽度范围可调控在10μm-260μm,是一种微米级的裂纹结构。



    技术特征:

    1.一种具有多层梯次裂纹的碳电极的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:

    2.根据权利要求1所述的具有多层梯次裂纹的碳电极制备方法,其特征在于,所述溶剂包括乙醇、二甲基乙酰胺。

    3.根据权利要求1所述的具有多层梯次裂纹的碳电极的制备方法,其特征在于,所述支持层选择商业碳纸、商业碳布、钢丝网任一种。

    4.根据权利要求1所述的具有多层梯次裂纹的碳电极的制备方法,其特征在于,所述涂布采用凹版涂布、反向辊涂、刀辊涂层、计量棒涂布、槽模涂布、浸渍、幕帘涂层、气刀涂层工艺中的任一种。

    5.根据权利要求1所述的具有多层梯次裂纹的碳电极的制备方法,其特征在于,所述涂覆浆料1或n的厚度为0.1mm-1.5mm。

    6.根据权利要求1所述的具有多层梯次裂纹的碳电极的制备方法,其特征在于,所述溶剂的使用量为每100mg碳黑使用2ml-10ml相应量的溶剂。

    7.根据权利要求1所述的具有多层梯次裂纹的碳电极的制备方法,其特征在于,超声搅拌温度范围为30℃-70℃,转速为100r/min-500r/min。

    8.根据权利要求1所述的具有多层梯次裂纹的碳电极的制备方法,其特征在于,高温烘干的温度为150℃-500℃,烘干时间为0.5h-12h。

    9.根据权利要求1所述的具有多层梯次裂纹的碳电极的制备方法,其特征在于,所述碳黑采用商业碳黑,所述商业碳黑包括卡博特炭黑ec300jd、卡博特炭黑xc-72r、xc-72、科琴黑碳粉ecp600j、科琴黑ec300j、石墨烯、多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管中的任意一种。

    10.一种具有多层梯次裂纹的碳电极,其特征在于,通过权利要求1-9任一所述具有多层梯次裂纹的碳电极的制备方法制备得到。


    技术总结
    本发明公开了一种具有多层梯次裂纹的碳电极及其制备方法,涉及燃料电池技术领域,包括步骤:S1、将聚四氟乙烯超声分散于溶剂中,得混合悬浮液;S2、将步骤S1中得到的混合悬浮液和商业炭黑超声搅拌混合,得到涂覆浆料1;S3、将涂覆浆料1涂布于支持层上,高温烘干,得具有一层裂纹的碳电极;S4、n次改变聚四氟乙烯与商业炭黑的质量比,或改变商业碳黑种类,重复步骤S1‑S2,得涂覆浆料n+1,n为大于等于1的自然数;S5、将涂覆浆料n+1涂布于具有n层裂纹的碳电极上,高温烘干,得具有n+1层梯次裂纹的碳电极。本发明制备工艺简单,得到的微米级的碳电极具有良好的机械性能和优异的电极疏水能力,气流通道可控范围大,提高了燃料电池稳定性。

    技术研发人员:彭立山,唐均均,崔嘉轶,余新涛,黄丰
    受保护的技术使用者:中国科学院赣江创新研究院
    技术研发日:
    技术公布日:2024/10/24
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