CN113228358A - 一种石墨化碳基材以及采用该石墨化碳基材的气体扩散层 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于气体扩散层的碳基材，其作为燃料电池的用于气体扩散层的碳基材，其特征在于，所述碳基材为多孔性碳基材，其具有第一表面和与其相对的第二表面，其中，所述碳基材包括复数个以无序的方式布置并形成无纺布的碳纤维，以及在所述碳纤维之间使其彼此结合的有机聚合物的碳化物，其中，所述碳化物具有石墨结构，其中，所述碳基材的布拉格衍射角2θ小于26.435°，并且002面间距离d(002)小于
以及包括该碳基材的气体扩散层、采用该碳基材的气体扩散层、用于燃料电池的电极、用于燃料电池的膜电极集合体，以及燃料电池。当使用根据本发明的所述碳基材制造气体扩散层时，可以大幅提高燃料电池的电池电压特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的用于气体扩散层的碳基材、采用该碳基材的气体扩散层、用于燃料电池的电极、用于燃料电池的膜电极集合体，以及燃料电池，更具体地，涉及一种具有石墨化的结构的碳基材，以及采用该碳基材的气体扩散层、用于燃料电池的电极、用于燃料电池的膜电极集合体，以及燃料电池。
本发明涉及由产业资源部的按区域新产业促进项目(专门机构：韩国产业技术振兴院)资助的研究项目(项目编码：R0006741)的结果。
背景技术
聚合物电解质膜燃料电池(polymer electrolyte membrane fuel cell:PEMFC)具有比其他形式的燃料电池更低的工作温度、更高的效率、电流密度和功率密度、较短的启动时间以及对负载变化的快速响应。在聚合物电解质膜燃料电池中，在聚合物电解质膜的阳极和阴极上分别涂覆有催化剂涂层膜(catalyst coated membrane:CCM)，并且其由将气体扩散层接合在所涂覆的催化剂上的膜电极集合体(membrane electrode assembly:MEA)和与其两面粘附的双极板(bipolar plate)构成。在此，气体扩散层(GDL)是通过在由诸如碳布(carbon cloth)、碳无纺布以及碳纸之类的多孔碳材料构成的碳基材上涂覆微孔层(microporous layer:MPL)来制造的。
当前氢燃料电池车辆的一个重要问题是开发能够实现减少现有的零部件的体积、降低价格、提高耐久性以及能够实现高电池性能的零部件和材料。因此，要适用于车辆的气体扩散层不仅需要降低气体扩散层的厚度，还需要能够实现高电池性能的高导电率。
发明内容
技术问题
本发明的一目的是提供一种燃料电池的用于气体扩散层的碳基材，其具有高导电率。
本发明的另一目的是提供一种用于燃料电池的气体扩散层，其包括所述碳基材。
本发明的再一目的是提供一种具有改善的电池性能的膜电极集合体，其包括所述用于燃料电池的气体扩散层。
本发明的再一目的是提供一种具有改善的电池性能的燃料电池，其包括所述用于燃料电池的气体扩散层。
技术方案
为了实现所述一目的，本发明的一方面提供一种用于气体扩散层的碳基材，其特征在于，其作为燃料电池的用于气体扩散层的碳基材，其中，
所述碳基材为多孔性碳基材，其具有第一表面和与其相对的第二表面，其中，
所述碳基材包括复数个以无序的方式布置并形成无纺布的碳纤维，以及在所述碳纤维之间使其彼此结合的有机聚合物的碳化物，其中，所述碳化物具有石墨结构，其中，
所述碳基材的布拉格衍射角2θ小于26.435°，并且002面间距离d(002)小于
在本发明的一实施例中，所述碳基材的布拉格衍射角2θ可以大于或等于26.398°且小于26.435°。在本发明的一具体实施例中，所述碳基材的002面间距离d(002)可以大于或等于
且小于
在本发明的一实施例中，所述碳纤维可以包括一种具有相同平均长度的碳纤维。
在本发明的一实施例中，所述碳纤维可以包括两种或更多种具有不同平均长度的碳纤维。在本发明的一具体实施例中，所述两种碳纤维包括具有第一平均长度的第一碳纤维和具有第二平均长度的第二碳纤维，其中，所述第一平均长度小于所述第二平均长度，其中，所述第一平均长度和所述第二平均长度分别在3mm至25mm的范围内，其中，所述第一平均长度和所述平均长度之差为3mm至20mm。
为了实现所述另一目的，本发明的另一方面提供一种用于燃料电池的气体扩散层，其包括：所述的根据本发明的一方面的碳基材；以及包括在所述碳基材上形成的微孔层。
为了实现所述再一目的，本发明的再一方面提供一种用于燃料电池的电极，其包括：所述的根据本发明的至少一方面的碳基材或气体扩散层。
为了实现所述再一目的，本发明的再一方面提供一种用于燃料电池的膜电极集合体，其包括：所述的根据本发明的至少一方面的电极。
为了实现所述再一目的中的至少一个，本发明的再一方面提供一种燃料电池，其包括：所述的根据本发明的至少一方面的膜电极集合体。
有益效果
本发明人已经发现，通过对碳基材进行超过2000℃的石墨化工艺来控制使碳基材的布拉格衍射角2θ小于26.435°，并且使002面间距离d(002)小于
从而使碳基材的导电率比现有技术的碳基材要高得多。因此，当使用根据本发明的碳基材制造气体扩散层时，可以大幅提高燃料电池的电池电压特性。
因此，采用根据本发明的碳基材的气体扩散层、用于燃料电池的电极、用于燃料电池的膜电极集合体，以及燃料电池可以长时间稳定地发挥电池性能。
附图说明
图1为分别适用实施例6和比较例2的气体扩散层的单元电池的电流电压(IV)曲线。
图2为同时比较适用实施例4至6和比较例2的气体扩散层的单元电池的电流电压(IV)曲线的曲线图。
最佳模式
在下文中，将更详细地描述根据本发明的示例性实施例的燃料电池的用于气体扩散层的碳基材及其制造方法，以及包括该碳基材的用于燃料电池的电极、膜电极集合体以及燃料电池。但是，以下描述仅用于示例。因此，对本领域的普通技术人员来说，显然可以对这些实施例作出各种修改和变化。
当通过传统的湿式造纸工艺制造用于气体扩散层的碳基材时，将使用使包括无序悬浮在分散介质中的碳纤维的分散物通过金属丝网的方法。所述分散物可以进一步包括粘合短纤维。所述粘合短纤维可以为从由聚乙烯醇(PVA)短纤维、低熔点(LM)聚酯短纤维、聚乙烯(PE)短纤维、聚丙烯(PP)短纤维、纤维素短纤维和沥青短纤维组成的群组中选择的一种或两种以上。此时，碳纤维无序堆积在造纸机的金属丝网上，从而形成二维碳纤维预网状物(preweb)。在形成碳纤维预网状物的步骤之后，将碳纤维预网状物浸渍到包括诸如环氧树脂或酚醛树脂之类的热固性树脂或碳填充剂的浆料中，然后进行干燥，从而获得经浸渍的碳纤维预网状物。向由此获得的经浸渍的碳纤维预网状物施加热量和压力，从而对存在于粘合短纤维等的热固性树脂进行固化并压缩碳纤维预网状物。当将所述碳纤维预网状物在惰性气氛中加热，然后碳化热固性树脂，并且在一些情况下对碳纤维进行石墨化时，可以获得碳纤维网状物。
但是，本发明人已经发现，与传统的碳基材的制造工艺一样，当石墨化工艺的热处理温度小于2000℃时，则无法充分降低所获得的碳基材的电阻。本发明人已经发现，当在碳基材中添加导电性填充剂以解决由此导致的碳基材的导电率低的问题时，则降低碳基材的孔隙度，并且当使用这种孔隙度低的碳基材制造气体扩散层时，则大幅降低排放在燃料电池操作期间产生的水的性能。如果使用这种气体扩散层，则容易发生水淹现象(waterflooding)，这会迅速降低燃料电池的性能。
本发明人已经确认，当采用具备所述的构成的根据本发明的碳基材时，可以有效地解决所述的问题。
根据本发明的一方面的所述的碳基材可以用作燃料电池的用于气体扩散层的碳基材。所述碳基材为多孔性板状碳基材，其具有第一表面，例如顶部表面，以及与其相对的第二表面，例如底部表面。所述碳基材包括复数个以无序的方式布置并形成无纺布的碳纤维，以及在所述碳纤维之间使其彼此结合的有机聚合物的碳化物。
所述碳纤维可以包括一种具有在3mm至25mm范围内的平均长度的碳纤维。可替代地，所述碳纤维可以包括两种或更多种具有不同平均长度的碳纤维。所述两种或更多种碳纤维可以包括具有第一平均长度的第一碳纤维和具有第二平均长度的第二碳纤维，其中，所述第一平均长度可以小于所述第二平均长度，其中，所述第一平均长度和所述第二平均长度可以分别在3mm至25mm的范围内，其中，所述第一平均长度和所述平均长度之差可以为3mm至20mm。当所述第一和第二碳纤维的长度小于3mm时，由于碳纤维之间的接点多，因此存在导电性、挠曲强度值和抗拉强度降低的担忧。当所述第一和第二碳纤维的长度超过25mm时，长丝上的碳纤维可能具有高的厚度偏差，因为其无法适当地分散在各个碳纤维中并缠结在一起。
所述碳纤维的直径不受特别限制，但是可以是例如3μm至15μm。所述第一和第二碳纤维的长度之差优选是3mm至20mm。如果两种碳纤维的长度之差小于3mm，则密度梯度和孔隙度梯度的效果很小；如果长度之差超过20mm，则由于顶部侧和底部侧碳纤维基材的在厚度方向上的密度差异很大，因此存在机械强度降低且向一侧弯曲的担忧。因此，使用两种碳纤维的长度之差为5mm至20mm的碳纤维是有利的。
所述碳纤维可以包括通过碳化和/或石墨化诸如聚丙烯腈(PAN)、沥青或人造丝之类的前驱体纤维来制造的碳纤维长丝、切断其的碳纤维短纤维或其丝束形式。例如，晓星尖端材料公司以TANSOME系列注册商标出售的碳纤维、东丽株式会社以Torayca系列注册商标出售的碳纤维、卓尔泰克以PanexTM PX系列商标出售的碳纤维，或西格里碳素股份公司以Sigrafil系列注册商标出售的碳纤维、台湾塑胶工业股份有限公司以TC系列商标出售的碳纤维的长丝、短纤维或其丝束形式。
所述碳基材可以进一步包括碳粉以提高导电率，并且所述碳粉可以是选自由碳黑、碳气溶胶、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米角粉和天然或合成石墨粉组成的群组中的至少一种。
碳基材的厚度不受特别限制，但是可以是20至1000μm，例如20至500μm、30至400μm、30至300μm、30至200μm，或者30至100μm。
所述碳化物具有明显的石墨结构。即，在制造工艺中在氮气或氩气等的惰性气体气氛中，根据本发明的碳基材经过超过2,000℃的温度，例如超过2,100℃、超过2,200℃、超过2,300℃，或者超过2400℃的温度下进行热处理的石墨化工艺来具有明显的石墨结构。
在X射线衍射图中，纯石墨结构在2θ＝26.7°附近表现出特征衍射峰，并且六方(hexagonal)晶体结构中的002面间距离(interlayer spacing)d(002)为
因此，可以说所述的碳基材的002面间距离值越接近
石墨化程度越高。本发明的碳基材通过控制石墨化工艺的温度来使面间距离d(002)与传统的碳基材的约
相比接近于石墨晶体结构的002面间距离值(例如，
)，从而使其成功地具有类似于纯石墨晶体结构的晶体结构。这种类似于本发明的碳基材具备的纯石墨的结构在本发明中被称为“明显的石墨结构”。在此，“明显的石墨结构”是指碳基材的布拉格衍射角2θ小于26.435°，并且002面间距离d(002)小于
例如，“明显的石墨结构”可以定义为碳基材的布拉格衍射角2θ大于或等于26.398°且小于26.435°，并且002面间距离d(002)大于或等于
且小于
具体地为
至
根据本发明的碳基材通过在高温下进行石墨化处理来具备所述的明显的石墨结构，从而可以在保持耐久性的同时降低电阻值。结果，从下面的实施例4至6和比较例2的结果的比较中可以看出，当使用根据本发明的碳基材制造气体扩散层时，由于碳基材的电阻值降低，因此气体扩散层的整体电阻值降低，从而可以获得能够从低电流区域提高电池性能的新的气体扩散层。
接下来，将详细描述本发明的用于气体扩散层的碳基材以及使用该碳基材的气体扩散层的制造方法。
(1)形成碳纤维无纺布结构体(碳纤维预网状物)
当使用通过湿式分散的传统的常规造纸方法时，可以获得碳纤维无序布置的各向同性(isotropic)结构的碳纤维结构体，即碳纤维预网状物。具体地，可以通过湿式无纺布(wet-laid)工艺来制造使用碳纤维的无纺布。即，将一种或两种以上的长度不同的碳纤维以充分分散的状态混合在开松机(opening machine)中的分散介质中，然后将由此获得的碳纤维分散物向造纸机供应，从而使其层叠在造纸机金属丝网(带)上。此时，碳纤维分散物可以包括分散剂，以降低碳纤维的表面能量。除了碳纤维以外，所述分散物可以进一步包括粘合短纤维。所述粘合短纤维可以为从由聚乙烯醇(PVA)短纤维、低熔点(LM)聚酯短纤维、聚乙烯(PE)短纤维、聚丙烯(PP)短纤维、纤维素短纤维和沥青短纤维组成的群组中选择的一种或两种以上。
此时，可以通过向造纸机供应的碳纤维供应量和造纸速度来控制碳纤维的面积重量和厚度。这样制造的碳纤维无纺布的结构可以具有与金属丝网接触的接触面和相对面相同的结构，或者可以具有在其厚度方向上的孔径梯度的结构。
(2)树脂浸渍和固化
在形成所述的碳纤维预网状物的步骤之后，将所述碳纤维结构体(碳纤维预网状物)浸渍在包括热固性树脂和碳粉的浆料中，然后进行干燥，从而获得经浸渍的碳纤维预网状物。热固性树脂为，例如环氧树脂或酚醛树脂，具体地，为苯酚-甲醛树脂。所述碳粉可以为在形成下面描述的微孔层的工艺中使用的碳粉。所述浆料的分散介质主要为水，并且可以通过使用水溶性分散剂来增加分散力。所述碳粉可以是选自由碳黑、碳气溶胶、碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米角粉和天然或合成石墨粉组成的群组中的至少一种。
在如上对碳纤维结构体(碳纤维预网状物)进行浸渍和干燥后，向其施加热量和压力，从而对所述热固性树脂进行固化并压缩碳纤维预网状物。此时的热处理温度可以从例如大约100℃至200℃的范围内的合适温度中选择。
(3)碳化和石墨化
碳纤维网状物，即根据本发明的碳基材是通过在惰性气氛中对经过所述热固化工艺的碳纤维预网状物进行高温热处理，使所述碳纤维预网状物碳化和/或石墨化而得到的。以这种方式形成的有机聚合物的碳化物用作结合组成成分的粘合树脂。在本发明中在氮气或氩气等的惰性气体气氛中，在超过2,000℃的温度，例如超过2,100℃、超过2,200℃、超过2,300℃，或者超过2400℃的温度下对碳纤维预网状物进行热处理，然后进行石墨化工艺，从而使所述碳化物具有明显的石墨结构。
(4)选择性的疏水化工艺
当通过使用氟基树脂悬浮液或乳状液来对所述碳基材进行处理时，可以获得浸渍有所述氟基树脂的疏水性碳基材。最后，当通过熔融所述氟基树脂来使所述氟基树脂涂覆在所述碳纤维、所述碳粉的表面上以及所述碳纤维和所述碳粉之间形成的空间中时，可以获得具有抗水性的疏水性碳基材。该疏水性化步骤是选择性步骤。所述氟基树脂可以是选自由聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物(TFE-PFA)、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物(FEP)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)和聚偏氟乙烯(PVDF)组成的组中的至少一种。
(5)微孔层的涂覆和烧成
接下来，按照常规方法，通过将微孔层涂覆在所述碳基材上并进行烧成来获得气体扩散层(GDL)。微孔层中的孔的尺寸可以在0.1～20μm之间的范围内，例如，可以是2～20μm。微孔层的厚度不受特别限制，但是可以是20至200μm，例如20至100μm、20至80μm、20至60μm、20至50μm，或者30至50μm。
本发明的用于燃料电池的电极包括所述的本发明的用于气体扩散层的基材，并且可以用作燃料电池的阳极或阴极。
本发明的用于燃料电池的膜电极集合体包括所述的本发明的电极。
本发明的燃料电池包括所述的本发明的膜电极集合体。
在下文中，将参考下列实施例来详细地描述本发明，但本发明不限于下列实施例。
具体实施方式
[碳基材的制造]
比较例1
将50g的碳纤维(具有约95％的由聚丙烯腈(PAN)制造的碳含量、约7μm的直径和约6mm的纤维长度)、50g的碳纤维(具有约95％的由聚丙烯腈(PAN)制造的碳含量、约7μm的直径和约12mm的纤维长度)、1g的分散剂(Triton X-100)以及12g的PVA短纤维(具有约6mm的纤维长度)投入到200L的水中，然后在1,500rpm的速度下以机械混合方式均匀分散约20分钟，从而获得用于形成碳纤维预网状物的分散物。
在将所述分散物投入到造纸机的槽中后，再加入300L的水搅拌，然后将所述分散物向安装有120#金属丝网的inclined fourdrinier装置供应，然后通过使用真空泵来去除水。以此方式，通过使所述金属丝网通过分散物，然后将碳纤维堆积在金属丝网上，从而形成无纺布形式的碳纤维预网状物。
酚醛树脂溶液(重量平均分子量：约3,000至5,000、溶剂：N-甲基-2-吡咯烷酮)和石墨颗粒(制造商：Asbury Carbons、型号：5991)分散(酚醛树脂/石墨颗粒重量比率＝50/50、混合物的总固体含量：约20wt％)的浆料以3mg/cm2的量浸渍在所述碳纤维预网状物中。
接下来，将浸渍有所述树脂和导电性石墨碳的所述碳纤维预网状物在氮气或氩气气氛中加热至约1,000℃的温度，然后碳化所述酚醛树脂和PVA成分，从而获得包括结合所述碳纤维的碳化物的碳纤维网状物。所述碳化工艺通过在以约30L/min的速度供应氮气或氩气的碳化处理炉中，对所述碳纤维预网状物进行热处理大约30分钟来进行。
接下来，在以约10L/min的速度供应氮气或氩气的石墨化处理炉中，在约1,400℃的温度下对所述被碳化的碳纤维网状物进行热处理约30分钟，从而对所述被碳化的碳纤维网状物进行石墨化处理。由此，获得具有与表1所记载相同的特性的碳基材。
实施例1
以与比较例1所描述相同的方式，获得浸渍有所述的树脂和导电性石墨碳的所述的碳纤维预网状物。将所述碳纤维预网状物在氮气或氩气气氛中加热至约1,000℃的温度，然后碳化所述酚醛树脂和PVA成分，从而获得包括结合所述碳纤维的碳化物的碳纤维网状物。所述碳化工艺通过在以约30L/min的速度供应氮气或氩气的碳化处理炉中，对所述碳纤维预网状物进行热处理大约30分钟来进行。
接下来，在以约15L/min的速度供应氮气或氩气的石墨化处理炉中，在约2,000℃的温度下对所述被碳化的碳纤维网状物进行热处理约30分钟，从而对所述被碳化的网状物进行石墨化处理。由此，获得具有与表1所记载相同的特性的碳基材。
实施例2
以与比较例1所描述相同的方式，获得浸渍有所述的树脂和导电性石墨碳的所述的碳纤维预网状物。将所述碳纤维预网状物在氮气或氩气气氛中加热至约1,000℃的温度，然后碳化所述酚醛树脂和PVA成分，从而获得包括结合所述碳纤维的碳化物的碳纤维网状物。所述碳化工艺通过在以约30L/min的速度供应氮气或氩气的碳化处理炉中，对所述碳纤维预网状物进行热处理大约30分钟来进行。
接下来，在以约15L/min的速度供应氮气或氩气的石墨化处理炉中，在约2,300℃的温度下对所述被碳化的碳纤维网状物进行热处理约30分钟，从而对所述被碳化的网状物进行石墨化处理。由此，获得具有与表1所记载相同的特性的碳基材。
实施例3
以与比较例1所描述相同的方式，获得浸渍有所述的树脂和导电性石墨碳的所述的碳纤维预网状物。将所述碳纤维预网状物在氮气或氩气气氛中加热至约1,000℃的温度，然后碳化所述酚醛树脂和PVA成分，从而获得包括结合所述碳纤维的碳化物的碳纤维网状物。所述碳化工艺通过在以约30L/min的速度供应氮气或氩气的碳化处理炉中，对所述碳纤维预网状物进行热处理大约30分钟来进行。
接下来，在以约15L/min的速度供应氮气或氩气的石墨化处理炉中，在约2,500℃的温度下对所述被碳化的碳纤维网状物进行热处理约30分钟，从而对所述被碳化的网状物进行石墨化处理。由此，获得具有与表1所记载相同的特性的碳基材。
[表1]
参照表1，与比较例1的碳基材相比，经过有效的石墨化工艺的实施例1至3的碳基材具备具有更小的布拉格衍射角2θ和更小的002面间距离d(002)的特征。具体地，实施例1至3的碳基材的布拉格衍射角2θ小于26.435°，并且002面间距离d(002)小于
更具体地，实施例1至3的碳基材的布拉格衍射角2θ在比比较例1的26.435°更小的26.398°至26.414°度的范围内，并且002面间距离d(002)在比
更小的
至
的范围内。可以确认，在相同的面积重量和厚度中，具备这种特征的实施例1至3的碳基材与比较例1的碳基材相比具有相当小的电阻值，因此导电率大幅提高。
[气体扩散层的制造]
比较例2
将1,000g去离子水、20g分散剂(Triton X-100)、92g碳黑(Vulcan XC-72)和60wt％聚四氟乙烯(PTFE)分散体25g以机械方式混合在一起，从而获得用于微孔层(MPL)的组合物。
将所述微孔层(MPL)组合物涂覆在比较例1中获得的碳基材上，然后在约120℃的温度下进行干燥，然后在空气气氛中约350℃左右的温度下烧结30分钟，从而获得气体扩散层。
实施例4
将在比较例2中获得的所述微孔层(MPL)组合物涂覆在实施例1中获得的碳基材上，然后在约120℃的温度下进行干燥，然后在空气气氛中约350℃左右的温度下烧结30分钟，从而获得气体扩散层。
实施例5
将在比较例2中获得的所述微孔层(MPL)组合物涂覆在实施例2中获得的碳基材上，然后在约120℃的温度下进行干燥，然后在空气气氛中约350℃左右的温度下烧结30分钟，从而获得气体扩散层。
实施例6
将在比较例2中获得的所述微孔层(MPL)组合物涂覆在实施例3中获得的碳基材上，然后在约120℃的温度下进行干燥，然后在空气气氛中约350℃左右的温度下烧结30分钟，从而获得气体扩散层。
在实施例4至6和比较例2中获得的气体扩散层的物理性质综合在下表2中。
[表2]
参照表2，可以确认，与通过使用比较例1的碳基材来形成的气体扩散层相比，通过使用具有实施例1至3的提高的导电率的碳基材来形成的气体扩散层在相同的面积重量和厚度中具有几乎相同的机械特性，但是具有大幅提高的电流密度。将在下面结合图1和图2更详细描述实施例1至3的气体扩散层发挥的这种大幅提高的电池电压特性。
根据以下步骤，对上述表1和表2中综合的物理性质进行评价。
评价例1：面积重量测量
根据ASTM D-646规格计算面积重量。即，使用切割器切割样品以使其宽度和长度分别为225mm，并且使用测量机(Mitutoyo、500-714)测量宽度和长度。将切成506.25cm2面积的样品的重量放在能够测量0.001g的磅秤上，然后将其重量除以面积，然后通过使用以下计算公式来进行换算。
面积重量(单位：g/m2)＝重量(g)/面积(cm2)×10,000/1m2
评价例2：厚度测量
根据ISO 534，通过使用直径为16mm(面积：2.00cm2)的压力脚(pressure foot)和测量精度为1μm的测量仪(TMI、49-56digital micrometer thickness tester)测量10个以上的厚度来获得平均值。
评价例3：布拉格衍射角2θ和002面间距离d(002)
对于一个晶体的特定晶面的X射线衍射(XRD)峰的半峰全宽(FWHM)是测量方法中几乎不变的晶体固有的自变量。即，FWHM的绝对值几乎不受XRD仪器、X射线功率、测量点间隔(step size)、测量速度(scan speed)和检测仪器的保留时间(retention time)的影响，只有峰强度(intensity)和信噪比(signal to noise)才发生变化。小于或等于50nm至100nm的晶粒尺寸的确定由理论谢乐公式(Sherrer公式)很好地成立，但是通过使用谢乐公式来确定晶粒尺寸的方法最终取决于FWHM尺寸，并且在相同样品的情况下，无论使用何种XRD设备，都会显示相同的FWHM值。
因此，将实施例1至3和比较例1中获得的碳基材安装在高分辨率X射线衍射仪(X'Pert Pro MRD，PANAnalytical)上作为测量样品，从而获得样品的(002)晶面的XRD峰。
通过使用软件来对由此获得的XRD峰进行拟合，从而获得布拉格衍射角2θ，并且通过使用以下式(1)的关系来获得002面间距离d(002)。
d(002) ＝ λ/2sinθ (1)
d(002)：碳基材的(002)面间距离；
λ：Cu Kα源产生的X射线波长；
θ：衍射角。
评价例4：电阻测量
将4张待测碳基材或气体扩散层放在镀金铜板(Gold coated Cu Plate)之间，并且在施加600N压力的状态下，测量因沿厚度方向流过1A的电流而产生的电压降(V)。再次测量两张碳基材或气体扩散层的电压降，从而根据两个电阻之间的差计算电阻值。
评价例5：可压缩率
将实施例4至6和比较例2中获得的气体扩散层成型为直径24mm的圆形，然后与评价例2相同的方式测量5处的厚度，从而计算平均值，并且将其输入为T0。将测量过厚度的一张所述成型为圆形的气体扩散层插入到加工为直径为25mm的圆形的镀金铜板之间，并且将其固定在安装有位移计的通用测试仪(英国Instron、UTM5537)的负载(Load)底部，从而使其为零。已经确认，通过使用所述通用测试仪来施加90N的力时的位移计的值为d90N，并且以相同的方式施加450N的力时的位移值确认为d450N。通过将这些值代入下式(2)来计算气体扩散层的可压缩率。
可压缩率(％)＝T450N/T90N×100 (2)
在此，T90N＝T0-d90N,T450N＝T0-d450N。
评价例7：单元电池评价
将实施例4至6和比较例2中获得的气体扩散层用作用于阴极的气体扩散层和用于阳极的气体扩散层，并且通过将其附接到涂覆有市销催化剂的膜(制造商：Gore、产品编号：PRIMEA 5730)来组装单元电池。在电极面积25cm2、温度约65℃、相对湿度100％和大气压的条件下，通过向阴极(anode)供应氢气，并且向阳极(cathode)供应空气来测量根据电流密度的燃料电池的电压变化。其结果如图1和图2所示。
图1为分别适用实施例6和比较例2的气体扩散层的单元电池的电流电压(IV)曲线。参照图1，已经发现，采用实施例6的气体扩散层的燃料电池比采用比较例2的气体扩散层的燃料电池具有优异的电池电压特性。即，当通过适用因石墨化工艺而电阻降低的实施例3的碳基材制造气体扩散层时，电阻从9.5mΩ·cm2降低到5.8mΩ·cm2，并且电阻的这种降低可以连接到单元电池的电池电压特性的提高。
图2为同时比较适用实施例4至6和比较例2的气体扩散层的单元电池的电流电压(IV)曲线的曲线图。参照图2，已经发现，采用实施例4和5的气体扩散层的燃料电池也比采用比较例2的气体扩散层的燃料电池具有优异的电池电压特性。即，可以确认，当通过适用因石墨化工艺而电阻降低的实施例1和2的碳基材制造气体扩散层时，电阻从9.5mΩ·cm2分别降低到8.7mΩ·cm2和8.2mΩ·cm2，并且电阻的这种降低可以连接到单元电池的电池电压特性的提高。在表2中，电流密度@0.6V表现出图2的电流电压(IV)曲线中0.6V电压下的电流密度。
Claims (10)
1.一种用于燃料电池的气体扩散层的碳基材，其特征在于，
所述碳基材为多孔性碳基材，其具有第一表面和与其相对的第二表面，其中，
所述碳基材包括复数个以无序的方式布置并形成无纺布的碳纤维，以及在所述碳纤维之间使其彼此结合的有机聚合物的碳化物，其中，所述碳化物具有石墨结构，其中，
所述碳基材的布拉格衍射角2θ小于26.435°，并且002面间距离d(002)小于
2.根据权利要求1所述的用于气体扩散层的碳基材，其特征在于，所述碳基材的布拉格衍射角2θ大于或等于26.398°且小于26.435°。
3.根据权利要求1所述的用于气体扩散层的碳基材，其特征在于，所述碳基材的002面间距离d(002)大于或等于
且小于
4.根据权利要求1所述的用于气体扩散层的碳基材，其特征在于，所述碳纤维包括一种具有相同平均长度的碳纤维。
5.根据权利要求1所述的用于气体扩散层的碳基材，其特征在于，所述碳纤维包括两种或更多种具有不同平均长度的碳纤维。
6.根据权利要求5所述的用于气体扩散层的碳基材，其特征在于，所述两种碳纤维包括具有第一平均长度的第一碳纤维和具有第二平均长度的第二碳纤维，其中，所述第一平均长度小于所述第二平均长度，其中，所述第一平均长度和所述第二平均长度分别在3mm至25mm的范围内，其中，所述第一平均长度和所述平均长度之差为3mm至20mm。
7.一种用于燃料电池的气体扩散层，其包括：根据权利要求1至6中任一项所述的碳基材；以及
在所述碳基材上形成的微孔层。
8.一种用于燃料电池的电极，其包括：根据权利要求1至6中任一项所述的碳基材或根据权利要求7所述的气体扩散层。
9.一种用于燃料电池的膜电极集合体，其包括：根据权利要求8所述的电极。
10.一种燃料电池，其包括：根据权利要求9所述的膜电极集合体。
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