CN115621475A - 一种气体扩散层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池扩散层技术领域，涉及一种具有高机械强度的气体扩散层及其制备方法。本发明的气体扩散层由炭纤维和修饰的碳纳米管分散、梯度纸成型、增强固化、炭化、疏水处理、微孔层涂覆和干燥工序制成，其中的修饰的碳纳米管为在碳纳米管的一端担载金属氧化物，其中的梯度纸成型为使用不同长度的炭纤维依次堆叠，底层使用的炭纤维的长度低于其上面一层，层数为2‑5层，成型工艺采用离心成型。得到的导电碳纸具有良好的机械强度。

Description

一种气体扩散层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种气体扩散层及其制备方法，属于燃料电池扩散层技术领域。
背景技术
气体扩散层，在燃料电池中有极为重要的作用，其承担着集电、物质传输和分配、热传导等作用，构成气体扩散层的碳纤维纸层材料性能好坏直接影响燃料电池的性能。因此，碳纤维纸层材料要同事具有高导电性、高气体扩散性、高气体分配性等功能。同时，为了增强燃料电池装配及使用过程中的可靠性，气体扩散层材料同样需要一定的强度。
目前已有一些强化碳纸的技术，如CTBN改性酚醛树脂增强碳纤维纸强度的工艺、PVB改性酚醛树脂增强碳纸工艺、环氧氯丙烷改性酚醛树脂增强碳纸工艺等，但此类通过改性剂方式增强碳纸强度的工艺都或多或少存在分布不均、影响孔隙率、影响导电性等问题。现有技术制备的气体扩散层弯曲强度低，易折断，不适用于连续化的卷对卷生产。
因此，本领域亟需一种燃料电池用气体扩散层，所述气体扩散层在具有良好的传质能力、导电性和透气性的同时具有较强的机械强度，从而提高燃料电池性能、可靠性和耐久性。
发明内容
本发明针对燃料电池扩散层现有技术存在的不足，提供一种气体扩散层及其制备方法。
本发明通过不同长度的炭纤维依次堆叠的梯度纸成型技术以及修饰碳纳米管离心成型技术增强了碳纤维纸强度。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种气体扩散层，其特征在于，所述的气体扩散层由不同长度的炭化纤维原纸依次堆叠而成，底层使用的炭化纤维的长度低于其上面一层，层数为2-5层。短炭纤维层可以增加炭纸的柔韧性，长炭纤维层可以增加炭纸强度。
进一步，所述炭化纤维包括短切碳纤维和修饰的碳纳米纤维。
进一步，所述修饰的碳纳米纤维为一端担载金属氧化物的碳纳米管，所述金属氧化物包括氧化铈、氧化铝等。
进一步，所述短切纤维和修饰的碳纳米纤维质量比为2:1~100:1。
进一步，所述短切纤维长度为1~50mm，相邻两层的炭化纤维长度差值为0.1~20mm。碳纳米纤维直径为10~50nm，长度为1~50μm。
一种气体扩散层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：炭化纤维分散，将含有0.1~0.5wt%分散剂和0.1-30wt%不同长度的炭化纤维的混合物分别置于水中，打浆使得炭化纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：梯度纸成型，使用湿法抄纸方法将上述各悬浮液进行抄纸，得到不同纤维长度的炭化纤维原纸，将原纸按纤维长度依次堆叠，底层使用的炭纤维的长度低于其上面一层，层数为2-5层；
步骤3：增强固化，将炭化纤维原纸通过浓度为20~80g/L热固性树脂进行浸渍、干燥并固化，浸渍时间为30~60s，固化时将炭化纤维原纸置于平板硫化机中热压，压力为6~8MPa，温度为180~220℃，时间为30~60min；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在惰性气氛保护下进行炭化处理，升温速度为10~20℃/min，炭化温度为1500~1800℃，保温10~20min；
步骤5：疏水处理，将炭化后的碳纸在5~7wt%的PTFE乳液中浸渍5~10min，进行疏水处理后干燥；
步骤6：微孔层涂覆；
步骤7：130~150℃干燥，得到最终的碳纸型气体扩散层。
进一步，所述步骤1中炭化纤维包括短切碳纤维和修饰的碳纳米纤维；所述步骤2还包括离心成型，将堆叠后的原纸进行离心处理，在离心力的作用下修饰金属氧化物的碳纳米管受力较大，使修饰的碳纳米管垂直纸面方向分布，增强碳纤维纸强度。
进一步，所述离心处理中分离因数为5000~6000。
进一步，所述气体扩散层用于质子交换膜燃料电池。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明一方面满足燃料电池中作为气体扩散层材料要求的高导电性、高气体扩散性、高气流分配性，另一方面增强了气体扩散层的机械强度和柔韧性从而提高了燃料电池的性能、可靠性和耐久性，除此之外优异的力学性能有利于提高产品的易用性，方便卷对卷的连续化生产。
附图说明
附图示除了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理。
图1 一种气体扩散层制备工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种气体扩散层由不同长度的炭化纤维原纸依次堆叠而成，底层使用的炭化纤维的长度低于其上面一层，层数为5层。短炭纤维层可以增加炭纸的柔韧性，长炭纤维层可以增加炭纸强度。
一种气体扩散层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：炭化纤维分散，将含有0.1wt%的分散剂聚丙烯酸钠和0.2wt%的五组不同长度的炭化纤维（分别为3mm、5mm、7mm、9mm、11mm）的混合物分别置于水中，打浆使得炭化纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：梯度纸成型，使用湿法抄纸方法将上述五组悬浮液进行抄纸，得到不同纤维长度的炭化纤维原纸，将原纸按纤维长度依次堆叠，底层使用的炭纤维的长度低于其上面一层；
步骤3：增强固化，将炭化纤维原纸通过浓度为50g/L的酚醛树脂乙醇溶液进行浸渍、干燥并固化，浸渍时间为60s，固化时将炭化纤维原纸置于平板硫化机中热压，压力为6MPa，温度为180℃，时间为30min；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在氮气气氛保护下进行炭化处理，升温速度为20℃/min，炭化温度为1500℃，保温10min；
步骤5：疏水处理，将炭化后的碳纸在5wt%的PTFE乳液中浸渍10min，进行疏水处理后干燥；
步骤6：微孔层涂覆；
步骤7：150℃干燥，得到最终的碳纸型气体扩散层。
将经上述步骤形成气体扩散层按照ASTM D3039使用万能材料试验及进行拉伸强度测试，采用三点抗弯法进行弯曲强度测试，并制作成条件固定的燃料电池单电池，进行电性能测试，测试结果列于表1。
实施例2
一种气体扩散层，其特征在于，所述的气体扩散层由不同长度的炭化纤维原纸依次堆叠而成，底层使用的炭化纤维的长度低于其上面一层，层数为5层。短炭纤维层可以增加炭纸的柔韧性，长炭纤维层可以增加炭纸强度。
所述炭化纤维包括五组不同长度的短切碳纤维（分别为3mm、5mm、7mm、9mm、11mm）和一端修饰了氧化铈的碳纳米纤维，碳纳米纤维直径为10nm，长度为5μm，所述短切纤维和修饰的碳纳米纤维质量比为5:1。
一种气体扩散层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：炭化纤维分散，将含有0.1wt%的分散剂聚丙烯酸钠和15wt%的五组不同长度的炭化纤维（分别为3mm、5mm、7mm、9mm、11mm）以及直径为10nm，长度为5μm，一端修饰了氧化铈的碳纳米纤维的混合物分别置于水中，打浆使得炭化纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：梯度纸成型，使用湿法抄纸方法将上述五组悬浮液进行抄纸，得到不同纤维长度的炭化纤维原纸，将原纸按纤维长度依次堆叠，底层使用的炭纤维的长度低于其上面一层；之后将堆叠的炭化纤维原纸进行离心处理，离心因数为6000，在离心力的作用下修饰金属氧化物的碳纳米管受力较大，使修饰的碳纳米管垂直纸面方向分布，增强碳纤维纸强度；
步骤3：增强固化，将炭化纤维原纸通过浓度为50g/L的酚醛树脂乙醇溶液进行浸渍、干燥并固化，浸渍时间为60s，固化时将炭化纤维原纸置于平板硫化机中热压，压力为8MPa，温度为180℃，时间为30min；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在氮气气氛保护下进行炭化处理，升温速度为20℃/min，炭化温度为1500℃，保温10min；
步骤5：疏水处理，将炭化后的碳纸在5wt%的PTFE乳液中浸渍10min，进行疏水处理后干燥；
步骤6：微孔层涂覆；
步骤7：150℃干燥，得到最终的碳纸型气体扩散层。
将经上述步骤形成气体扩散层按照ASTM D3039使用万能材料试验及进行拉伸强度测试，采用三点抗弯法进行弯曲强度测试，并制作成条件固定的燃料电池单电池，进行电性能测试，测试结果列于表1。
实施例3~7
一种气体扩散层，其特征在于，所述的气体扩散层由不同长度的炭化纤维原纸依次堆叠而成，底层使用的炭化纤维的长度低于其上面一层，层数为5层。
所述炭化纤维包括五组不同长度的短切碳纤维和一端修饰了氧化铈的碳纳米纤维，改变五组短切碳纤维的长度和短切纤维和修饰的碳纳米纤维质量比，具体参数列于表1，其余制备过程均参照实施例2中方法进行。
将经上述步骤形成气体扩散层按照ASTM D3039使用万能材料试验及进行拉伸强度测试，采用三点抗弯法进行弯曲强度测试，并制作成条件固定的燃料电池单电池，进行电性能测试，测试结果列于表1。
表1
短切碳纤维组合（mm） 短切碳纤维与修饰碳纳米纤维质量比 拉伸强度（MPa） 弯曲强度（MPa） 单电池功率密度（W/cm<sup>2</sup>）
实施例1 3、5、7、9、11 — 37.82 58.44 1.27
实施例2 3、5、7、9、11 5 46.30 66.77 1.32
实施例3 3、5、7、9、11 3 46.88 62.12 1.35
实施例4 5、15、20、25、30 5 53.05 58.23 1.40
实施例5 5、15、20、25、30 3 53.66 55.04 1.46
实施例6 10、20、30、40、50 5 57.88 44.77 1.38
实施例7 10、20、30、40、50 3 59.03 39.92 1.32

Claims (9)

1.一种气体扩散层，其特征在于，所述的气体扩散层由不同长度的炭化纤维原纸依次堆叠而成，底层使用的炭化纤维的长度低于其上面一层，层数为2-5层。
2.根据权利要求1所述的一种气体扩散层，其特征在于，所述炭化纤维包括短切碳纤维和修饰的碳纳米纤维。
3.根据权利要求2所述的一种气体扩散层，其特征在于，所述修饰的碳纳米纤维为一端担载金属氧化物的碳纳米管，所述金属氧化物包括氧化铈、氧化铝等。
4.根据权利要求2所述的一种气体扩散层，其特征在于，所述短切纤维和修饰的碳纳米纤维质量比为2:1~100:1。
5.根据权利要求2所述的一种气体扩散层，其特征在于，所述短切纤维长度为1~50mm，相邻两层的炭化纤维长度差值为0.1~20mm。
6.一种气体扩散层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：炭化纤维分散，将含有分散剂和不同长度的炭化纤维的混合物分别置于水中，打浆使得炭化纤维分散均匀，形成悬浮液；
步骤2：梯度纸成型，使用湿法抄纸方法将上述各悬浮液进行抄纸，得到不同纤维长度的炭化纤维原纸，将原纸按纤维长度依次堆叠，底层使用的炭纤维的长度低于其上面一层，层数为2-5层；
步骤3：增强固化，将炭化纤维原纸通过热固性树脂进行浸渍、干燥并固化；
步骤4：炭化，将固化后的炭化纤维原纸在惰性气氛保护下进行炭化处理；
步骤5：疏水处理，将炭化后的基底层在PTFE乳液中浸渍，进行疏水处理后干燥；
步骤6：微孔层涂覆；
步骤7：干燥，得到最终的碳纸型气体扩散层。
7.根据权利要求6所述的一种气体扩散层制备方法，其特征在于，所述步骤1中炭化纤维包括短切碳纤维和修饰的碳纳米纤维；所述步骤2还包括离心成型，将堆叠后的原纸进行离心处理，使修饰的碳纳米管垂直纸面方向分布。
8.根据权利要求7所述的一种气体扩散层制备方法，其特征在于，所述离心处理中分离因数为5000~6000。
9.根据权利要求6所述的制备方法得到的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层用于质子交换膜燃料电池。
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