Page 131 - 《精细化工）》2023年第10期

第 10 期 刘 城，等: 亲疏水交替碳纸的制备及其在气体扩散层中的应用 ·2209·

做高温处理。 水区域进行测试。因此，分别对亲疏水交替处理的
1.2.2 亲疏水交替碳纸的制备 碳纸（包括多个亲水区域和多个疏水区域）以及无
称取 40 g PTFE 乳液于烧杯中，加入 200 g 去离 差别疏水处理的碳纸透气率进行测试，从而探究碳
子水，超声 30 min，得到质量分数为 10%的 PTFE 纸经亲疏水交替处理和无差别疏水处理后的透气性
疏水剂。将碳纸裁剪成 10 cm×10 cm 的尺寸，然后 差异。
完全浸渍于质量分数为 10%的 PTFE 疏水剂中，控 1.3.5 单电池性能
制浸渍时间为 60 s。在浸渍完成后，取出碳纸，用 燃料电池单电池组成包括膜电极、阴阳极气体
设计好的不锈钢模具（模具具有脊和槽的区别，脊 扩散层和阴阳极双极板。用 850 Fuel Cell Test
属于不锈钢材质，槽为镂空结构）夹持碳纸，在不 System 燃料电池测试台（群翌能源股份有限公司）
锈钢夹具上施加 4680 g 标准不锈钢铁块压力后，再 在环境温度 25 ℃下测试样品的电压-电流密度曲线
置于电热鼓风干燥箱中干燥，设定干燥温度为 100 ℃， 及功率密度-电流密度曲线。测试过程中，控制阴极
保温时间为 10 min。在干燥完成后，取出模具并重 和阳极的相对湿度均为 65%、阴极使用空气为反应
新将碳纸放入烘箱中，设定干燥箱的温度为 340 ℃， 气体，阳极使用氢气为反应气体，阴极和阳极反应
保温时间为 30 min，对碳纸做高温处理。 气体物质的量比为 1.5∶2、阴极和阳极的背压为
1.2.3 GDL 微孔层的制备 50 kPa/50 kPa、电池温度为 80 ℃。测试用膜电极（厚
将 100 g 去离子水、100 g 异丙醇和 7 g 炭黑混 度 8 μm）由苏州擎动动力科技有限公司提供、测试
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合后，在超声波清洗机中超声 30 min，使炭黑分散 夹具使用有效活性面积为 25 cm 的直流道型石墨
均匀。然后加入一定量 PTFE 乳液作为微孔层的疏 夹具。
水材料，控制炭黑与 PTFE 乳液的质量比为 7∶3。
为进一步使炭黑和 PTFE 乳液分散均匀，采用均质 2 结果与讨论
机做均质处理，控制均质机的转速为 10000 r/min，
2.1 外观形貌分析
均质时间为 30 min，在均质结束后，完成微孔层浆
碳纸经亲疏水交替处理前后的外观形貌如图 1
料的制备。接着，采用半自动丝网印刷机，将制备
所示。图 1a 是未经处理的空白碳纸外观形貌，图
好的微孔层浆料分别均匀涂敷在经无差别疏水处理
1b 是经过亲疏水交替处理后碳纸的外观形貌，观察
和经亲疏水交替处理的碳纸上。在涂敷完成后，将
到其表面出现明暗相间的条纹，明条纹的颜色与未
涂敷好的微孔层放置在电热鼓风干燥箱中，对微孔
疏水处理的碳纸差别不大，而暗条纹的颜色则较未
层进行干燥处理，控制干燥温度为 200 ℃，保温时
疏水处理的碳纸更深。
间为 10 min。在干燥完成后，调整电热鼓风干燥箱
的温度为 340 ℃，保温时间为 30 min，对干燥后的
微孔层做高温烧结处理，最终得到 GDL 微孔层，经
测量微孔层厚度约为 20 μm。
1.3 测试与表征
1.3.1 表面形貌及元素分析
用 ZEISS Gemini 300 扫描电子显微镜（SEM，
德国 ZEISS 公司）测试样品的表面形貌，同时对样

品作 EDS 元素分析。 图 1 亲疏水交替处理前（a）、后（b）碳纸的外观形貌
1.3.2 接触角 Fig. 1 Appearance and morphology of carbon paper before
(a) and after (b) hydrophilic and hydrophobic treatment
用 DSA100 接触角测量仪（德国 Kruss 公司）
测试样品的接触角大小，以此表征样品的亲疏水性能。 进一步分析发现，明条纹出现在与金属模具接
1.3.3 TP 电阻率 触的碳纸区域，而暗条纹则出现在与空气接触的碳
用 ZY9987 数字式微欧计（上海领彻技术服务 纸区域。出现这种明暗相间条纹的主要原因是，碳
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有限公司）测量样品的 TP 电阻率（单位为 mΩ·cm ）。 纸浸渍 PTFE 乳液后两面会被特定的金属模具夹持，
1.3.4 TP 透气率 并配以一定压力后再进行干燥，压力迫使与金属模
用 RH-TQ16 透气率测定仪（广州润湖仪器有限 具接触的碳纸区域的疏水剂朝着与空气接触的碳纸
公司）测量样品的 TP 透气率〔单位为 mL·mm/ 区域转移，导致与金属模具接触的碳纸区域的疏水
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(cm ·h·Pa)〕。由于该测定仪的测试面积为 16 cm ， 剂含量下降，而与空气接触的碳纸区域的疏水剂含
无法单独对亲疏水交替处理的碳纸的亲水区域及疏 量上升，进而形成明暗相间的条纹。