CN101024910A - 燃料电池用经纱重叠结构碳布气体扩散层 - Google Patents

Abstract

一种能够改善气水电透通传导性能的燃料电池气体扩散层的制造方法。它是在机织布机上，采用碳纤维为原料，织造成经纱浮纱较长且被纬纱呈支架间隔分隔开的重叠平行排列的组织结构扩散层的方法。

Description

燃料电池用经纱重叠结构碳布气体扩散层

所属技术领域

本发明涉及一种燃料电池气体扩散层的制造方法，尤其是具有经纱重叠结构的机织碳布气体扩散层制造方法。

背景技术

在质子交换膜燃料电池中，气体扩散层不仅起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能。选用高性能的气体扩散层材料有利于实现反应气体和反应产物--水在流场和催化层之间的再分配，对于增强导电性，提高电极性能、电池运行稳定性和运行寿命等改善电极的综合性能上，起到了重要作用，受到越来越多研究者的重视。

目前，公知的燃料电池气体扩散层是由碳纸和单层碳布构成，其中碳纸是现在使用得最普遍的扩散层材料。但是碳纸在导电性、孔隙率，特别在脆性上存在着不完善之处。针对此，在碳纸气体扩散层有着较多的改进性研究。例如，在专利CN01132156.3中，上海依极科技有限公司申请了用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料及其制备方法的专利，提供了一种用于燃料电池电极气体扩散层的以短高碳纤维为造纸浆液原料的纸材料，与传统的碳纸相比，改善了传统碳纸在导电性、孔隙率等方面的问题。

碳布组织气体扩散层成为近年来的研发热点，但还处于应用简单结构的初级状态，目前还仅局限于单层结构的研究、探讨和试应用。碳布因为下述专利中所表现出的特征，尤其是其所组装的燃料电池最大放电功率密度高达碳纸的两倍以上的突出优点，成为气体扩散层材料的最新发展和研究方向。

在专利JP2003288906中，TORAY INDUSTRIES公司申请了使用碳纤维机织物作为质子交换膜燃料电池(FEMFC)的气体扩散层的专利，虽然只是单层结构，但已显示出在发电反应中对水这唯一反应产物的良好控制能力，在保持一定的湿度下与质子交换膜接触的发电条件，又有效防止了水淹电极的现象。

在专利CN200310120325中，松下电器产业株式会社申请了使用碳布作为高分子电解质型燃料电池的气体扩散层的方法。专利中的气体扩散层的基体材料使用由电子传导性碳素纤维构成的经纱和纬纱织成的碳纤维织布，并在经纱和纬纱的交点处形成开口，这样，通过表面的平滑化，进而抑制形成疏水层用的涂料的不均匀渗入地优化，从而适于电解质膜-电极接合体的高加湿运行。

综上所述，作为质子交换膜燃料电池(FEMFC)的气体扩散层，碳布有取代碳纸成为研究热点的倾向。但是，单层碳布结构简单，虽在气体扩散层的制作方法上成为一个开端，但在满足气体扩散层多层次要求上，还有待进一步研发。

发明内容

为了克服现有的单层碳布用作气体扩散层的不足，本发明提供一种经纱重叠结构的气体扩散层的制造方法，该气体扩散层在结构上对透气性、透水性、导电性、表面平滑程度、强度和尺寸稳定性以及工作时的抗振动性能等方面做了综合考虑。

气体扩散层必须满足以下要求：可设计的多孔质结构，透气性能好；电阻率低，电子传导能力强；结构紧密且表面平整，减小接触电阻，提高导电性能；具有一定的机械强度，适当的刚性与柔性，利于电极的制作，提供长期工作条件下电极结构的稳定性；适当的亲水与憎水平衡，防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降；具有化学稳定性和热稳定性；制造成本低，性能价格比高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用碳纤维作为构成气体扩散层的原料，在机织布机上，织造成经纱浮纱较长且被纬纱呈支架间隔分隔开的重叠平行排列的组织结构。

碳纤维因其具有独特的物化性能以及微观结构的形态，本身就具有含水透气导电的性能以及物理化学上的稳定性。当用碳纤维织成本发明的组织结构的碳布后，就具有了如下特性：

因为碳纤维的柔软，制成的碳布就消失了碳纸那样的机械脆性而具有弯曲性能，这可具有免于机械破碎；

因为重叠平行排列的经纱，与单层碳布相比，具有较大厚度而使碳布具有一定的压缩弹性，这赋予它一定的抗压性能，有利于通过加压的办法形成对相邻部件的良好贴合，来改善它与质子交换膜或催化剂层以及极板的电接触性能；

因为织物的两侧面均由平行排列的较长经浮的经纱构成，这使得织物表面光滑平整，可进一步改善其与极板形成良好的接触，保证较为理想的导电性能；

因为织物两侧面的平行排列的经纱在较长的范围内被中间的纬纱“撑”着分隔成一定距离平行排列的支架间隔结构，形成“毛细效应”，这有助于对水的适量吸持，形成了水、气的有利通道及传导。

因为以机织方式织制的织物，与其他织造方法(如针织方式)的相比，在结构组成上，其纱线的屈曲程度较小，再加之本发明中的经纱呈较长经浮，这更有助于增加织物的机械强度及形成长度方向上的较小的拉伸变形，从而保持有适当的刚柔性，这就有利于电极的制作，提供长期操作条件下电板结构的稳定性。

因为机织织物结构的可设计性及多样性，使得织物性能也具备了可设计性和易控性。

上述特性的综合，使本发明的碳布有助于满足气体扩散性和透气性、固水性和泄水性等要求，因而适合用作质子交换膜燃料电池的气体扩散层。

本发明的有益效果是，不但改善了气体扩散层的气和水透通作用及电的传导性能，而且使这些性能具有可设计性和易控性，并且使得燃料电池在制造安装时不易脆裂损坏而具有方便性，在使用时能较好地抵抗机械振动等环境条件改变的影响，性能长期稳定可靠。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是气体扩散层的实施例图。

图中1.经纱，2.纬纱。

具体实施方式

在图1中，图a是经纱组合状态及织造运动的图，表示为完全组织中碳纤维经纱1(共8根，以曲线来表示)相对于碳纤维纬纱2(以点状来表示)的浮沉及运动，共有四组经二重组织(d1、d2、d3、d4)在织物中由左至右依次组合而成，每一组经二重组织结构的横截面均如图d的织物纵向横截面所示。图b和图c为该实施例的碳布在上机织造时用的织造工艺图，图b表示为穿综图，图c为纹版图。

由实施例中的碳布的纵向横截面图d的结构可看出并推知：

一.碳布的两侧面均由3浮1沉的较长的经向浮纱的经纱构成。这使得织物表面光滑平整，可与极板形成良好的接触，保证较为理想的导电性能；经纱的屈曲较其他组织结构(如平纹)为少，有助于增加织物的机械强度及形成长度方向上的较小的拉伸变形，从而保持有适当的刚性与柔性，这就有利于电极的制作，提供长期操作条件下电板结构的稳定性；经纱的较少屈曲还有利于水、气的引导和输送。

二.任一组织物纵向横截面均由经二重组织构成，并且前后侧面的经纱在较长的范围内被他们中间的纬纱“撑”着分隔成一定距离平行排列，织物就成为一种支架间隔结构。这使得织物具备良好的压缩弹性，形成对极板的良好贴合，也就增强了导电性能；间隔结构形成了水、气的有利通道及传导，加之平行排列的纤维间形成“毛细效应”有助于对水的适量吸持，这些都有助于满足气体扩散性和透气性、固水性和泄水性等要求。

Claims (3)

1.一种燃料电池气体扩散层的制造方法，采用碳纤维为气体扩散层的原料，在机织布机上，织造成经纱浮纱较长且被纬纱呈支架间隔分隔开的重叠平行排列的组织结构。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征是：经纱依照经二重的结构规律重叠平行排列。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征是：经纱依照多层结构规律重叠平行排列。

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