技術文11——淺談臺灣碳能碳布作為燃料電池陰極的處理方法

碳布一般采用PAN聚丙烯腈作為原料加以紡織,再經過高溫處理而成。臺灣碳能生產的W0S1009碳布是基礎型碳布,呈弱疏水性,一般用作材料生長或負載的基底。如果有需要,可以采用不同方法如化學法、物理法,將疏水性碳布改性成親水性碳布。臺灣碳能生產的W1S1009碳布是處理型碳布,呈強疏水性,在W0S1009基礎型碳布表面涂布了微孔層MPLPTFE,增強透氣性,一般用作各類燃料電池如氫燃料電池的空氣陰極。

如果客戶希望將碳布用作燃料電池陰極,可以直接購買W1S1009碳布,自己負載催化劑層C即可,如果購買W0S1009碳布,除了負載催化劑層C外,還需要在碳布另外一面負載碳基底層A和氣體擴散層B。簡要方法如下,文獻參考:Cheng, S.; Liu, H.; Logan, B. E. (2006), Electrochemistry Communications 8, 489-494.

A(碳基底層)、BPTFE即特氟龍擴散層)、CPt/C催化劑層)。下面就ABC的制作分別闡述:

A:涂覆碳基底層

1. 用小刀裁剪碳布4*8 cm(兩塊4*4 cm的陰極);

2. 按照1cm2碳布負載1.56 mg的標準,用電子天平稱量50mg炭黑;

3. 按照1 mg炭黑對應12 uL 40%PTFE(特氟龍,聚四氟乙烯)的標準,用移液器取600 uL

4. 將稱量的炭黑加入一個小塑料瓶,放入6-8顆小玻璃珠,加入移取的PTFE,蓋上瓶蓋,搖晃20s,形成懸浮液;

5. 用刷子將懸浮液涂覆在碳布的一面,注意動作輕慢,避免炭黑進入碳布的另一面;

6. 將涂覆有炭黑的碳布放入一個硬紙板上,靜置2h自然干燥,或者用一個電吹風加速;

7. 將自然干燥的碳布放在一個預熱到370攝氏度爐子里面的高溫陶瓷板上(注意一定要戴高溫手套,避免燒傷),加熱20-30 min

8. 將高溫陶瓷板從爐中拿出來,讓碳布自然冷卻,或者將爐關閉,爐門打開,緩慢降溫;由于碳布上已經涂布了PTFE,碳布會變得更卷曲,這是正常現象。

 

B.涂覆擴散層(PTFE,即特氟龍,聚四氟乙烯)

1)充分搖晃60%PTFE,保證這種懸浮液充分混勻;

2)將搖勻的60%PTFE溶液均勻涂覆在剛才的碳布那面;

3)用毛刷去除任何氣泡或大塊PTFE

4)空氣干燥5-10 min,干燥時涂覆面顏色變白;

5)將涂覆有PTFE的碳布放入爐中370攝氏度加熱10-15 min

6)將其自然冷卻,顏色會變成亮黑色;

7)再重復步驟(1-53次,使得PTFE涂層一共有4層,這是最適宜的擴散層厚度;

8)用剪刀裁剪出12cm2的圓形陰極碳布,或者用一個小鐵錘擊打木板模具獲得這種12cm2的圓形陰極碳布;

 

C. 涂覆Pt/C催化劑

1)稱量10%Pt/C催化劑,確保1cm2的碳布碳布有0.5 mgPt,比如12cm2的碳布需要6 mg Pt,需要60 mgPt/C催化劑;

2)將稱量好的Pt/C催化劑放入一個塑料瓶中,再按照1mg Pt/C催化劑配比0.83 uL的蒸餾水的比例,如60 mgPt/C催化劑需要50 uL的蒸餾水。將蒸餾水逐滴滴加到塑料瓶中,加6-8顆玻璃珠,搖晃20 s.這個步驟叫做Pt催化劑的水處理

注意:如果水的量不夠,或者沒有搖勻,會使得PtNafion膜中的乙醇反應,導致放熱甚至起火;

3)按照1 mgPt/C催化劑加入6.67 uLNafion溶液和3.33 uL的異丙醇比例,比如60 mgPt/C催化劑需要加入400 uL5%Nafion溶液和200 uL的異丙醇;

4)將調好的糊狀物涂覆在碳布的擴散層(PTFE)的另一面;

5)將涂覆好的碳布空氣干燥至少24h,或者用電吹風的低檔加熱以加速。

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