[发明专利]一种PEM燃料电池、高韧性多孔碳纸及其制备方法

说明书

本发明涉及一种PEM燃料电池、高韧性多孔碳纸及其制备方法，属于新能源材料技术领域，用以解决现有碳纸制备成本高且工序复杂、制备过程中孔隙性能与机械性能无法有效调控的问题。该制备方法包括：步骤1、利用柠檬酸‑氟氢化铵溶液对金属纤维行预处理，并在预处理金属纤维上负载碳纳米管沉积催化剂；步骤2、利用气态碳沉积过程对预处理金属纤维进行碳沉积处理，得到碳沉积金属纤维；步骤3、利用碳沉积金属纤维与聚乙烯醇缩乙醛制备多孔碳纸胚体；步骤4、将多孔碳纸胚体浸渍含有双酚A邻苯二甲腈的N‑甲基吡咯烷酮溶液，经过高温碳化处理制备得到高韧性多孔碳纸。本发明的制备方法简明高效，材料性能优良，制备过程成本可控，适于较大规模生产。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，尤其涉及一种PEM燃料电池、高韧性多孔碳纸及其制备方法。

背景技术

燃料电池是一种介于内燃机与电池之间的电化学装置，可以实现直接高效地将燃料的化学能转化为电能。燃料电池技术有望在全球新能源与可持续发展中起到关键积极的作用，尤其在提高燃料资源利用效率与减少对化石资源依赖方面。燃料电池技术以及直接电化学燃料(氢或醇)的使用有望给一系列的能源与环境问题的解决提供长效机制，其中包括提高能源使用效率、能源的可持续性、能源安全以及减少温室气体排放与城市污染。

燃料电池根据工作条件的不同分为磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以及固体氧化物燃料电池(SOFC)，燃料电池的电化学燃料为氢气、甲烷、甲醇等含碳量较少的分子，其中氢为最主要的燃料。

氢是一种高效的燃料电池的燃料，燃料电池在功率输出与能量转化效率方面的优势是锂电池与太阳能电池无法比拟的，而且氢PEM燃料电池的唯一排放物为电化学过程产生的水，可以说是一种真正的无污染高效的能源产生形式。但以氢为主要燃料存在一些关键技术问题：如氢的经济高效的制备方法，氢是单位质量能量密度(140.4MJ/kg)最高的能源形式，接近汽油单位质量能量密度(48.6MJ/kg)的三倍。但其体积能量密度8491MJ/m³(液态氢)却远低于汽油的31150MJ/m³，这必然造成需要更大的储存容器，特别对于汽车相关的应用。

PEMFC的膜电极堆结构(MEA)中心为高分质子交换膜，在膜两侧为阳极和阴极催化剂层，催化剂层外为三明治结构的扩散层，在催化剂层与扩散层之间分布微孔层。在扩散层外侧为带有流场槽的双极板，双极板主要功能为各个单电池的电流导通以及气体的分隔与导流的作用。扩散层为MEA结构中最为重要的结构单元，其一保证实现气体或流体在双极板导流槽与催化剂层的平稳传输与分配，其二实现催化剂层产生与累积的水排出，其三为催化剂层提供支撑，同时收集电流，实现催化剂层与双极板之间的电流导通，实现电池内部热管理，有效传导催化剂层产生的热至双极板，将电池核心部分维持在合理的工作温度。如果要实现以上功能，扩散层材料必须同时具有高孔隙率(80％)、较高的机械强度、良好的导电性能以及耐高温耐氧化等性能。

另外一个重要的因素就是材料的制造成本，扩散层一般占到MEA制造成本的15～30％。选择合适的扩散层材料一项相当复杂工作，材料参数的任一变化都会造成整个电池性能关联变化，性能参数的影响是相互交织的，这让扩散层的改进非常复杂。

目前应用的GDL材料主要为由PAN纤维经过热固性树脂浸渍后碳化和石墨化而形成的碳纸与碳布类材料，这类材料目前的制备工序复杂，涉及环节庞杂，由此导致材料的性能调控困难，制造成本高而且限制较大规模制备，由于GDL材料为PEM燃料电池的关键部件，需要进一步发展新工艺和新方法来提高材料各方面的性能，同时降低制造成本提高制造效率。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高韧性PEM燃料电池多孔碳纸及其制备方法，用以解决现有燃料电池扩散层材料制备成本高且工序复杂、制备过程中孔隙性能与机械性能无法有效调控的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：