CN104009245A - 一种燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，包括如下步骤：（1）将涂布专用网孔传输带两头拼接形成环形带，设置在主动导辊上匀速行走；（2）在网孔传输带表面喷涂一层硅油离型剂，并且烘干固化（3）使用浆料涂布设备在匀速行走的网孔传输带的表面进行主浆料涂布；（4）随后将粘结层涂料均匀喷涂在主浆料形成的膜面上；（5）将涂布后的网孔传输带行走进入烘箱，采用阶梯分段干燥；（6）重复步骤（2）-（5）至达到需要的胚体厚度；（7）通过剥离机构将制备好的气体扩散层胚体从环形带上剥离。本发明通过主动导辊匀速行走来控制涂料涂布的厚度，制备的胚体厚薄均匀度高，厚薄均匀度误差可以控制在±0.005毫米之内。

Description

一种燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法。

背景技术

燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，在基站电源、中小型电站、电动车、备用电源、便携电源等方面，具有广阔的应用前景。燃料电池可以分为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融盐燃料电池、微生物燃料电池、生物燃料电池等。燃料电池主要由端板、集电板、双极板、膜电极（MEA）等组成。其中膜电极是燃料电池的核心部件，其主要有气体扩散层、聚合物电解质膜和催化剂构成，聚合物电解质膜的一侧具有阳极催化剂，相对侧具有阴极催化剂。涂有催化剂的聚合物电解质膜夹在一对气体扩散层之间，形成膜电极。 

 气体扩散层在膜电极的性能表现中占有举足轻重的作用，主要起电流的收集、对聚合物电解质和催化剂的支撑，在膜电极对水、气和热管理等方面具有重要作用。例如，作为用于使反应物气体扩散到阳极和阴极层的扩散体，同时将产物水排到膜电极外表面。气体扩散层还具有良好导热作用，有利于MEA处产生的热量散失。 传统的气体扩散层胚体机械强度差致使对聚合物电解质膜和催化剂的支撑不好；由于工艺技术原因对气体扩散层胚体的厚度控制误差较大，导致气体扩散层与催化剂接触和与双极板接触均不好，造成接触电阻增大，致使电堆性能较差；由于工艺的技术原因造成气体扩散层胚体的孔径分布不均一，孔隙分布不均匀，造成气体扩散层的透气性和排水性能较差，导致膜电极的性能差，而且不稳定。目前燃料电池扩散层胚体制造方法有两种，一种是通过湿法造纸技术使用抄纸工艺制造，一种是采用干法造纸工艺制造。湿法造纸工艺缺点：厚薄不均匀，厚薄均匀度误差在±0.02毫米，导致使用该胚体制造燃料电池扩散层时，难以保证扩散层的表面平整度，使扩散层接触电阻增大，影响燃料电池性能。胚体厚度难以控制。干法工艺缺点：胚体强度低，扩散层承压能力差，不利于燃料电池组装，燃料电池运行寿命低。无论是湿法工艺还是干法工艺，都存在制造工艺可重复性差的缺点，难以保证大规模制造扩散层时品质一致性，进而影响燃料电池产业化。

公开号为CN 102106027A 的发明专利公开一种气体扩散层，具有结构化亲水物，亲水畴通过疏水畴隔开。该方案主要解决的是膜片和相邻的催化剂层必要的湿度保持以及所形成的水的排出之间的平衡问题，不能解决气体扩散层的机械强度及厚度控制问题。

公开号为CN 103299463A的发明专利公开一种气体扩散电极，气体扩散电极包括相互设置的气体扩散层和反应层，其中气体扩散层层由以下方法制备 ：i）混合 a）牺牲材料（sacrificial material）、b）聚合物和 c）金属基材料以及 d）可选的进一步的组分，其中所述牺牲材料具有低于约 275℃的释放温度并以根据混合的 a)-d) 的总质量的约 1 wt% 至约 25 wt% 的量添加 ；ii）由步骤 i）的混合物形成扩散层 ；iii）加热形成的扩散层至低于约 275 ℃的温度，从而从该扩散层释放至少一部分的所述牺牲材料。该方案主要解决的是改善电极的疏水性和导电性，具有较低的电位、改进的稳定性和电流分布，但是不能解决扩散层机械强度及厚度控制问题。

公开号为CN 1989641A的发明公开一种气体扩散基材的制备方法，将石墨颗粒和疏水聚合物的悬浮液相混合以形成第一浆体，将石墨化的碳纤维、液体和任选的粘合剂相混合以形成第二浆体；将第一浆体和第二浆体相混合以形成第三浆体；将第三浆体沉积到多孔床上以形成含纤维层；在不超过1000℃温度下干燥和煅烧该含纤维层。该方法也无法控制气体扩散基材的厚度。

公开号为CN103165909A公开一种燃料电池用多孔气体扩散层的后处理方法，多孔气体扩散层包括电极支撑体，以及电极支撑体一侧表面设置的整平层构成，电极支撑体与整平层复合后经干燥或焙烧，干燥或焙烧后的多孔气体扩散层再进行后续加温加压处理。经过热压整平处理后扩散层的厚度减小，增大了扩散层中各组分的传输速率，平整度增加有利于活性层组分的均匀分布，提高电极的整体性能。该方法后续操作复杂，且仅能提高气体扩散层的平整度，对于机械强度及厚度依然不易控制。

发明内容

发明目的： 本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种制造工艺重复性好，制造效率高、机械强度高、厚薄均匀度高、厚度可控、接触电阻小、导电率良好、透气性和排水性性能好的燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法。

技术方案： 本发明所述燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，包括如下步骤：

（1）将涂布专用网孔传输带两头拼接形成环形带，设置在主动导辊上匀速行走；上述网孔传输带匀速行走的速度为5～100米/分钟，行走速度根据涂布厚度控制，两者的关系公式为：H=nK×QS%/V，其中H为所需气体扩散层胚体的厚度，Q为主浆料涂布装置单位时间内涂布主浆料量，S%为主浆料固含量，V为网孔传输带行走速度，n涂布层数（次数），K是经验常数；

（2）在涂布主浆料之前，先通过主动导辊上方固定设置的喷涂器在网孔传输带表面喷涂一层硅油离型剂，并且经烘箱干燥固化在网孔传输带经纬线上，确保喷涂的硅油离型剂既不能成膜，也不能堵塞网孔传输带的网孔，硅油离型剂只是均匀附着在经纬线上；

（3）利用主动导辊上方固定设置的主浆料涂布装置，在匀速行走的网孔传输带的表面进行主浆料涂布形成膜面，涂布量控制在100～250克/平方米；

（4）利用主动导辊上方固定设置的喷涂器，将粘结层涂料均匀喷涂在主浆料形成的膜面上，喷涂量为20～100克/平方米；

（5）将涂布后的网孔传输带行走进入烘箱，采用阶梯分段干燥；

（6）重复步骤（2）-（5），根据气体扩散层胚体的厚度确定重复的次数直至达到需要的胚体厚度；

（7）通过剥离机构将制备好的气体扩散层胚体从环形带上剥离，成卷后放在阴凉干燥处保存，作为燃料电池气体扩散层的胚体备用。

上述步骤（3）中主浆料的组分配方为长度5～12mm、直径5～12μm的短切碳纤维或石墨纤维30～100克，分散液为5000毫升水中加入5～15克分散剂搅拌溶解；主浆料的配制方法为：将所述短切碳纤维或石墨纤维加入到分散液中，使用分散机分散均匀；

上述步骤（4）中，粘结层涂料为由去离子水与聚乙烯醇配制的5～25%的聚乙烯醇水溶液。

优选地，步骤（1）中所述网孔传输带为柔性网孔带，宽度为400mm，厚度为0.1～0.5mm，网眼为40～100目。所述网孔传输带的材料可以选择尼龙材料、金属材料或氟材料；进一步优选为，所述网孔传输带厚度为0.3mm，网眼为60目。

优选地，步骤（3）中主浆料涂布装置为狭缝模头（美国EDI公司）或淋涂涂头（普通型）。

优选地，步骤（3）中主浆料的涂布量控制在160克/平方米

优选地，步骤（4）中粘结层涂料的喷涂量为50克/平方米。

优选地，步骤（5）中，烘箱为4段，每段烘箱长度为3---6米，烘箱总长度为12---24米，4段烘箱采用阶梯干燥方法，每段烘箱温度分别60℃，100℃，120℃，150℃。

优选地，所述主浆料的组分短切碳纤维或石墨纤维为50克，分散液为5000毫升水中加入10克分散剂搅拌溶解；所述粘结层涂料为由去离子水与聚乙烯醇配制的10%的聚乙烯醇水溶液。

有益效果： （1）本发明通过主动导辊匀速行走来控制涂料涂布的厚度，制备的胚体厚薄均匀度高，厚薄均匀度误差可以控制在±0.005毫米之内；（2）、本发明方法自动化喷涂，生产效率高，胚体表面平整度高；（3）本发明方法涂布后阶梯分段干燥，制得的气体扩散层胚体机械强度高，导电性能好，孔径均匀透气性好，更有利于提高MEA的电化学性能，更有利于燃料电池堆内部水热管理；（4）本发明可以通过涂布的次数来控制整个扩散层胚体的厚度，使扩散层的厚度更加均一稳定，有利于工业化大规模生产，推动整个燃料电池产业的工业化进程。

附图说明

图1为本发明方法的结构原理图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：一种燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，原理图如图1所示，包括如下步骤：

（1）将涂布专用网孔传输带1两头拼接形成环形带，设置在主动导辊5上匀速行走；所述网孔传输带1采用市售的宽度为400mm，厚度为0.3mm，网眼为60目的柔性网孔带，材料可以为尼龙材料；网孔传输带1匀速行走的速度为5～100米/分钟，行走速度根据涂布厚度控制，两者的关系公式为：H=nK×QS%/V，其中H为所需气体扩散层胚体的厚度，Q为主浆料涂布装置2单位时间内涂布涂主浆料量，S%为主浆料固含量，V为网孔传输带行走速度，n涂布次数，K是经验常数；

（2）在涂布主浆料之前，先通过主动导辊上方固定设置的喷涂器3在网孔传输带表面喷涂一层硅油离型剂（市售产品），并且经烘箱干燥固化在网孔传输带经纬线上，确保喷涂的硅油离型剂既不能成膜，也不能堵塞网孔传输带的网孔，硅油离型剂只是均匀附着在经纬线上；

（3）利用主动导辊上方固定设置的主浆料涂布装置2狭缝模头（美国EDI公司生产），在匀速行走的网孔传输带1的表面进行主浆料涂布形成膜面，涂布量控制在160克/平方米，其中，主浆料的组分配方为长度5～12mm、直径5～12μm的短切碳纤维30克，分散液为5000毫升水中加入10克分散剂（如聚丙烯酰胺等）搅拌溶解；主浆料的配制方法为：将所述短切碳纤维加入到分散液中，使用分散机分散均匀；

（4）利用主动导辊上方固定设置的喷涂器3，采用喷涂工艺将粘结层涂料均匀喷涂在主浆料形成的膜面上，喷涂量为50克/平方米；

其中，粘结层涂料为由去离子水与聚乙烯醇配制的10%的聚乙烯醇水溶液；

（5）将涂布后的网孔传输带行走进入烘箱，烘箱为4段，每段烘箱长度为5米，烘箱总长度为20米，4段烘箱采用阶梯干燥方法，每段烘箱温度分别60℃，100℃，120℃，150℃。

（6）重复步骤（2）-（5）至达到需要的胚体厚度；

（7）通过剥离机构将制备好的气体扩散层胚体从环形带上剥离，成卷后放在阴凉干燥处保存。

本实施例制得的气体扩散层胚体厚薄均匀度误差可以控制在±0.005mm以内，厚薄均匀度高，表面平整，胚体机械强度高、导电性良好、孔隙均匀。

实施例2：一种燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，原理图如图1所示，包括如下步骤：

（1）将涂布专用网孔传输带1两头拼接形成环形带，设置在主动导辊5上匀速行走；所述网孔传输带1采用市售的宽度为400mm，厚度为0.1mm，网眼为40目的柔性网孔带，材料可以为金属材料；网孔传输带1匀速行走的速度为5～100米/分钟，行走速度根据涂布厚度控制，两者的关系公式为：，H=nK×QS%/V，其中H为所需气体扩散层胚体的厚度，Q为主浆料涂布装置2单位时间内涂布涂主浆料量，S%为主浆料固含量，V为网孔传输带行走速度，n涂布次数，K是经验常数；

（2）在涂布主浆料之前，先通过主动导辊上方固定设置的喷涂器3在网孔传输带表面喷涂一层硅油离型剂（市售产品），并且经烘箱干燥固化在网孔传输带经纬线上，确保喷涂的硅油离型剂既不能成膜，也不能堵塞网孔传输带的网孔，硅油离型剂只是均匀附着在经纬线上；

（3）利用主动导辊上方固定设置的主浆料涂布装置2淋涂涂头，在匀速行走的网孔传输带1的表面进行主浆料涂布形成膜面，涂布量控制在120克/平方米；

其中，主浆料的组分为长度5～12mm、直径5～12μm的石墨纤维40克，分散液为5000毫升水中加入5克分散剂（如聚丙烯酰胺等）搅拌溶解；主浆料的配制方法为：将所述石墨纤维加入到分散液中，使用分散机分散均匀；

（4）利用主动导辊上方固定设置的喷涂器3，采用喷涂工艺将粘结层涂料均匀喷涂在主浆料形成的膜面上，喷涂量为20克/平方米；

其中，粘结层涂料为由去离子水与聚乙烯醇配制的5%的聚乙烯醇水溶液；

（5）将涂布后的网孔传输带行走进入烘箱，烘箱为4段，每段烘箱长度为3米，烘箱总长度为12米，4段烘箱采用阶梯干燥方法，每段烘箱温度分别60℃，100℃，120℃，150℃。

（6）重复步骤（2）-（5）至达到需要的胚体厚度；

（7）通过剥离机构将制备好的气体扩散层胚体从环形带上剥离，成卷后放在阴凉干燥处保存。

实施例3：一种燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，原理图如图1所示，包括如下步骤：

（1）将涂布专用网孔传输带1两头拼接形成环形带，设置在主动导辊5上匀速行走；所述网孔传输带1采用市售的宽度为400mm，厚度为0.5mm，网眼为100目的柔性网孔带，材料可以为氟材料；网孔传输带匀速行走的速度为5～100米/分钟，行走速度根据涂布厚度控制，两者的关系公式为： H=nK×QS%/V，其中H为所需气体扩散层胚体的厚度，Q为主浆料涂布装置2单位时间内涂布涂主浆料量，S%为主浆料固含量，V为网孔传输带行走速度，n涂布次数，K是经验常数；

（2）在涂布主浆料之前，先通过主动导辊上方固定设置的喷涂器3在网孔传输带表面喷涂一层硅油离型剂（市售产品），并且经烘箱干燥固化在网孔传输带经纬线上，确保喷涂的硅油离型剂既不能成膜，也不能堵塞网孔传输带的网孔，硅油离型剂只是均匀附着在经纬线上；

（3）利用主动导辊上方固定设置的主浆料涂布装置2狭缝模头（美国EDI公司生产），在匀速行走的网孔传输带的表面进行主浆料涂布形成膜面，涂布量控制在250克/平方米；

其中，主浆料的组分为长度5～12mm、直径5～12μm的短切碳纤维100克，分散液为5000毫升水中加入15克分散剂搅拌溶解；主浆料的配制方法为：将所述短切碳纤维加入到分散液中，使用分散机分散均匀；

（4）利用主动导辊上方固定设置的喷涂器3，采用喷涂工艺将粘结层涂料均匀喷涂在主浆料形成的膜面上，喷涂量为100克/平方米；

其中，粘结层涂料为由去离子水与聚乙烯醇配制的25%的聚乙烯醇水溶液；

（5）将涂布后的网孔传输带行走进入烘箱，烘箱为4段，每段烘箱长度为6米，烘箱总长度为24米，4段烘箱采用阶梯干燥方法，每段烘箱温度分别为60℃，100℃，120℃，150℃。

（6）重复步骤（2）-（5）至达到需要的胚体厚度；

（7）通过剥离机构将制备好的气体扩散层胚体从环形带上剥离，成卷后放在阴凉干燥处保存。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (9)

1.一种燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将涂布专用网孔传输带（1）两头拼接形成环形带，设置在主动导辊（5）上匀速行走；网孔传输带（1）匀速行走的速度为5～100米/分钟，行走速度根据涂布厚度控制，两者的关系公式为：H=nK×QS%/V，其中H为所需气体扩散层胚体的厚度，Q为主浆料涂布装置（2）单位时间内涂布主浆料量，S%为主浆料固含量，V为网孔传输带行走速度，n涂布次数，K是经验常数；

（2）在涂布主浆料之前，先通过主动导辊上方固定设置的喷涂器（3）在网孔传输带（1）表面喷涂一层硅油离型剂，并且经烘箱干燥固化在网孔传输带（1）经纬线上，确保喷涂的硅油离型剂既不能成膜，也不能堵塞网孔传输带的网孔；

（3）利用主动导辊（5）上方固定设置的主浆料涂布装置（2），在匀速行走的网孔传输带（1）的表面进行主浆料涂布形成膜面，涂布量控制在100～250克/平方米；

（4）利用主动导辊上方固定设置的喷涂器（3），将粘结层涂料均匀喷涂在主浆料形成的膜面上，喷涂量为20～100克/平方米；

（5）将涂布后的网孔传输带行走进入烘箱，采用阶梯分段干燥；

（6）重复步骤（2）-（5）至达到需要的胚体厚度；

（7）通过剥离机构将制备好的气体扩散层胚体从环形带上剥离，成卷后放在阴凉干燥处保存；

上述步骤（3）中主浆料的组分配方为长度5～12mm、直径5～12μm的短切碳纤维或石墨纤维30～100克，分散液为5000毫升水中加入5～15克分散剂搅拌溶解；主浆料的配制方法为：将所述短切碳纤维或石墨纤维加入到分散液中，使用分散机分散均匀；

上述步骤（4）中，粘结层涂料为由去离子水与聚乙烯醇配制的5～25%的聚乙烯醇水溶液。

2.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述网孔传输带为柔性网孔带，宽度为400mm，厚度为0.1～0.5mm，网眼为40～100目。

3.根据权利要求2所述的燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，其特征在于：所述网孔传输带为尼龙材料、金属材料或氟材料。

4.根据权利要求2所述的燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，其特征在于：所述网孔传输带厚度为0.3mm，网眼为60目。

5.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，其特征在于：步骤（3）中主浆料涂布装置（2）为狭缝模头或淋涂涂头。

6.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，其特征在于：步骤（3）中主浆料的涂布量控制在160克/平方米。

7.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，其特征在于：步骤（4）中粘结层涂料的喷涂量为50克/平方米。

8.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，其特征在于：步骤（5）中，烘箱为4段，每段烘箱长度为3---6米，烘箱总长度为12---24米，4段烘箱采用阶梯干燥方法，每段烘箱温度分别60℃，100℃，120℃，150℃。

9.根据权利要求1所述的燃料电池用气体扩散层胚体的制备方法，其特征在于：所述主浆料的组分短切碳纤维或石墨纤维为50克，分散液为5000毫升水中加入10克分散剂搅拌溶解；所述粘结层涂料为由去离子水与聚乙烯醇配制的10%的聚乙烯醇水溶液。