Page 130 - 《精细化工）》2023年第10期
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·2208·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 40 卷

                                               [2]
            低等优点，是 GDL 基底层的首选材料 。                              微孔层采用 TiO 2 涂敷而成，疏水微孔层则采用传统
                 PEMFC 在工作时阴极会生成液态水，液态水的                       微孔层制备工艺（一般是将炭黑与疏水剂分散在溶
            存在会阻塞气体通道，过多的液态水会造成“水淹”                            剂中，再采用超声、浆式搅拌、均质机均质等方式，
            的现象，影响电池的正常运行，所以，要对用作 GDL                          使其形成均匀的浆料，然后采用喷涂、狭缝涂布、
                                      [3]
            基底层的碳纸进行疏水处理 。碳纸的疏水处理工                             丝网印刷或线棒涂布方式制备而成），对比发现，双
            艺一般是将碳纸整体浸渍于疏水剂中，然后直接干                             微孔层有效增加了催化层水分，同时减少了水淹，
            燥去除溶剂，使疏水剂无差异地黏附在碳纤维表面，                            进一步提高了不同工况下的电池性能；二是对 GDL
                             [4]
            从而获得疏水性能 。关于碳纸疏水处理的研究主                             基底层做亲疏水处理，岳利可              [13] 通过改变疏水处理
            要包括疏水剂种类、疏水剂浓度以及提高疏水剂在                             工艺，制备了一种具有亲疏水性差异的混合型
            碳纸中的分布均匀性 3 个方面。                                   GDL，并研究了混合型 GDL 的排列方式对燃料电池
                 含氟聚合物如聚四氟乙烯（PTFE）、氟化乙烯                        性能的影响，结果表明，当疏水区域在双极板流道
            丙烯（FEP）等是碳纸疏水处理的材料，其中，PTFE                         上方时，燃料电池性能更好，但其制备方法操作复
            因价格低廉且具备良好的疏水性能、良好的化学稳                             杂，疏水剂含量容易在碳纸厚度方向上产生梯度差，
            定性和耐腐蚀性等优势，是用于碳纸疏水处理最常                             此外，该 GDL 未涂敷微孔层，这会增加接触电阻，
            见的材料     [3,5] 。不同浓度的疏水剂除了会影响碳纸的                   同时减小三相反应界面。
            亲疏水性能外，还会对碳纸的导电性和透气性产生                                 本文以碳纸为 GDL 基底层，以 PTFE 乳液为疏
                              [6]
            一定影响。李梦佳等 研究了不同 PTFE 负载量对碳                         水剂，对碳纸做亲疏水交替处理；接着，从外观形
            纸导电性的影响，由于黏附在碳纤维上的 PTFE 不                          貌、接触角、SEM、EDS、垂直平面（TP）电阻率
            具备导电性，因此，碳纸的电阻率随着 PTFE 负载                          等方面比较碳纸经亲疏水交替处理后，亲水区域和
                                    [7]
            量的增加而增大。PARK 等 研究表明，碳纸的透气                          疏水区域的结构与性能差异；进一步比较了经亲疏
            性随着 PTFE 含量的增加而降低，其主要原因在于                          水交替处理和无差别疏水处理后的碳纸，在 TP 透
            PTFE 会填充碳纸中的孔隙，造成碳纸孔隙率下降，                          气率上的差异；最后，根据 PEMFC 双极板流道的
            进而使碳纸透气性下降。此外，如何确保疏水剂在                             设计，制备了基底层亲疏水交替的 GDL，研究基底
            碳纸上均匀分布，也是提高碳纸疏水性能的关键因                             层亲疏水交替处理的 GDL 对燃料电池性能的影响。
            素。碳纸的疏水处理主要包括浸渍和干燥两大步骤，
                                                               1   实验部分
            选择不同的浸渍方式及干燥方式，会使疏水剂在碳
                                           [8]
            纸上的分布产生一定差异。YU 等 研究表明，采用                           1.1   试剂与仪器
            超声浸渍法会使 PTFE 分布更加均匀，从而提高燃                              碳纸（厚度 140  μm），上海嘉资新材料有限公
                                   [9]
            料电池的性能。刘士华等 采用 SEM 和 EDS 对超                        司；PTFE 乳液（质量分数 60%）、异丙醇（GR），
            声疏水处理的碳纸进行观察同样发现，采用超声疏                             上海阿拉丁生化科技股份有限公司；炭黑 XC-72，
            水处理的碳纸，其疏水剂分布更加均匀。ITO 等                     [10]   美国卡博特公司。
            以 PTFE 为疏水剂，研究了干燥方式对碳纸中 PTFE                           GW-150B 型电热鼓风干燥箱，上海力辰邦西仪
            分布的影响，结果表明，采用真空干燥的方法可以                             器科技有限公司；T25 型均质机，艾卡（广州）仪
            使 PTFE 在碳纸厚度方向上分布更加均匀。                             器设备有限公司；半自动丝网印刷机，常州远甬网
                 上述关于碳纸疏水处理的研究，在一定程度上                          印设备有限公司；KQ5200DE 型数控超声波清洗器，
            改善了 PEMFC 的水管理能力，但并没有考虑 PEMFC                      昆山超声仪器有限公司。
            在不同工况下对 GDL 的性能要求。一般来说，在低                          1.2   样品制备
            电流密度下，GDL 应具备一定的保水性，从而提高                           1.2.1   无差别疏水碳纸的制备
            质子交换膜（PEM）的润湿性；而在高电流密度下，                               称取 40 g PTFE 乳液于烧杯中，加入 200 g 去离
            GDL 则应具备及时排走多余水分的能力，从而避免                           子水，超声 30 min，得到质量分数为 10%的 PTFE
            电极水淹     [11] 。综合来看，GDL 具备一定的亲疏水性                  疏水剂。将碳纸裁剪成 10 cm×10 cm 的尺寸，然后
            平衡，才能满足 PEMFC 在实际工况下对 GDL 的性能                      完全浸渍于质量分数为 10%的 PTFE 疏水剂中，控
            要求。                                                制浸渍时间为 60 s。在浸渍完成后，取出碳纸，将
                 关于 GDL 的亲疏水交替处理的研究主要分为                        碳纸悬空放置于电热鼓风干燥箱中进行干燥，干燥
            两个方面：一是对微孔层做亲疏水交替处理，                               过程中，设定电热鼓风干燥箱的干燥温度为 100  ℃，
            KITAHARA 等    [12] 设计了一种双微孔层的 GDL，双                保温时间为 10 min。在干燥完成后，将干燥箱的温
            微孔层由亲水性微孔层和疏水性微孔层组成，亲水                             度设定为 340  ℃，保温时间设定为 30 min，对碳纸
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