CN1601795A - 一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法 - Google Patents

一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，该方法包括以下工艺步骤：(1)选取有机薄膜作为粘接剂材料，在膜下垫一层金属或非金属丝网加热；(2)将聚丙烯晴基(PAN)的碳纤维均匀地散落在步骤(1)的处于半熔融态的有机薄膜上加压，形成结构材料—扩散层；(3)将导电粉与所需的其他材料混和成导电粉浆料，用印刷的方法将导电粉浆料均匀地转移到步骤(2)目的物—扩散层的一面或二面上烘干；(4)将步骤(3)目的物的一片或多片加热加压，制成导电与气体扩散层材料。与现有技术相比，本发明具有方法简单、易于控制产品品质、生产成本较低等优点。

Description

一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法
技术领域
本发明涉及电化学发电装置，尤其涉及一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法。
背景技术
电化学发电是以氢气或甲醇为燃料，空气或氧气等为氧化剂，进行电化学反应，直接取出电能的装置。它对改变能源结构和环境保护有积极的作用。它的基本单元是由质子交换膜1、催化剂2，导电与气体扩散基材3和正、负隔气导电板4组成的，如图1所示。根据电压和功率的大小，决定基本单元的数量和面积。其中的导电与气体扩散基材，装配在质子交换膜两侧，它本身可涂有催化剂或支撑涂有催化剂较柔软的质子交换膜。还要有良好的透气性能，使燃料和氧化剂通过导电与气体扩散基材与催化剂发生化学作用。同时它应有良好的导电性，保证导电。因此，这种导电与气体扩散基材，技术要求较高，应具有电阻率低，和均匀的高气体渗透性，并在受压情况下厚度的变化很小等特点。日本东丽株式会社发明专利中叙述过此种材料的制作方法，其步骤为：
(1)将聚丙烯晴(PAN)的碳纤维分散于聚乙烯醇(PVA)或丙烯酸类树脂和导电粉末的分散液中，并将这些纤维舀到网上形成碳纤维片材。
(2)通过分散液浸润法，将有机材料粘合到所形成碳纤维片材，作为碳纤维材料的粘合剂。
(3)对有粘合剂的碳纤维片材进行干燥处理。
(4)对干燥后，已由粘合剂的碳纤维片材进行加压，得到一种多孔性的导电与气体扩散材料。
此种工艺比起其它公司的一些制造方法已经简单和可靠得多，但还存在以下缺点：
(1)由于在生产过程中，碳纤维和导电粉末分散于液体溶液中，在舀到网上后，只能大体判断碳纤维和导电粉末在碳纤维片材中的总含量，无法确定碳纤维和导电粉末各自的精确含量；在批量生产中出现各批次的材料含量的不一致性；如：有的批次中碳纤维含量大于导电粉末含量，如有的批次中碳纤维含量小于导电粉末含量，造成产品因批次不同而各技术指标(纵向和横向的电导率、透气率、横向的热传导率)的不一致性，不能精确控制，从而影响应用商产品的品质。
(2)在连续生产过程中，由于部分原料(碳纤维和导电粉末等)已舀出，而部分原料还在液体溶液中；由于其各自含量无法精确判断和精确控制，造成后续原料在稀释后的液体溶液中的添入量(碳纤维和导电粉末等添入量)，无法精确添入控制，造成产品在同一批次中的各技术指标(纵向和横向的电导率、透气率、横向的热传导率)的不一致性，不能精确控制，从而影响应用商产品的品质。
(3)由于采用的是用“液体分散浸润舀取法”生产，其产品特征是：要么浸入亲水性分散液中得到亲水性产品；要么浸入疏水性分散液中得到疏水性产品；无法得到集亲水层和疏水层于一体(即产品一面是亲水层另一面是疏水层)产品。如果要得到该特性产品(即产品一面是亲水层另一面是疏水层)的话，须增加单面另外喷涂处理等生产步骤，工艺复杂，工艺性差，生产成本较高。
以上缺点可归纳为：由于其生产工艺的缺陷，造成不能很好地控制产品的透气率和导电粉末的良好分散，从而影响导电性能，而且工艺复杂，工艺性差，生产成本较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺点而提供一种方法简单、易于控制产品品质、生产成本较低的电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，其特征在于，所述的方法包括以下工艺步骤：
(1)选取厚度均匀的有机薄膜作为粘接剂材料，在膜下垫一层金属或非金属丝网，并一起置于加热装置中，将该加热装置的温度调节在低于上述有机薄膜半熔融状态的温度点，使有机薄膜处于软化状态；
(2)将长度7～12毫米，直径5～9微米的聚丙烯晴基(PAN)的碳纤维通过震荡器和分散栅，使碳纤维均匀地散落在步骤(1)的处于半熔融态的有机薄膜上，随后在其表面加压，使碳纤维与有机薄膜在力的作用下进行扩散和渗透，经降温后形成结构材料—扩散层；
(3)将导电粉与所需的其他材料混和成导电粉浆料，用印刷的方法将导电粉浆料均匀地转移到步骤(2)目的物—扩散层的一面或二面上烘干，既可以得到二面都是疏水性的扩散层或亲水层的扩散层，也可得到一面是疏水性的，而另一面是亲水性的扩散层；
(4)将步骤(3)目的物的一片或多片，加热加压，制成厚度为0.10～1.5毫米的导电与气体扩散层材料。
所述的有机薄膜作为粘接剂材料，其材质选自含有亲水性材料的树脂材料，如掺入二氧化硅、二氧化钛、氧化锆等亲水性材料的树脂、或本身为亲水性树脂如NAFION树脂、聚丙烯酰胺树脂，或选自疏水性树脂材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯、聚乙烯醇、纤维素、环氧树脂溶液。
所述的厚度均匀的有机薄膜，其厚度根据有机薄膜占导电粉浆料重量百分比而计算得出；具体公式为：重量百分比＝〔(有机薄膜厚度×产品面积×有机薄膜密度)/导电材料重量〕×100％，有机薄膜重量百分比为0.5％～50％。
所述的金属或非金属丝网，其材质耐温温度应高于有机薄膜的分解点温度。
所述的步骤(1)、(4)的加热装置，其加热方式可以是直接接触传导方式如电加热板、电加热油加热板、电加热水加热板，或对流传热方式如热风吹，或辐射传热方式如红外线照射，或微波振荡加热方式。
所述的步骤(2)、(4)的表面加压，其加压方式可以是直接接触加压方式如压机加压或辊压，或者非接触加压方式如高速气流表面吹压。
所述的步骤(3)的导电粉选自膨胀石墨粉、天然石墨粉或导电碳黑，其颗粒直径为10～1000目。
所述的步骤(3)的其他材料包括与步骤(1)中的有机薄膜作为粘接剂材料相同或不同材料的有机材料；包括亲水性或混有亲水性材质颗粒的材料，如选自掺入二氧化硅、二氧化钛、氧化锆等亲水性材料的树脂、或本身为亲水性树脂如NAFION树脂、聚丙烯酰胺树脂；或者包括疏水性树脂材料的有机溶液，如选自聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯、聚乙烯醇、环氧树脂溶液。
所述的步骤(3)的其他材料还包括造孔剂，该造孔剂选自碳酸氢铵、草酸铵、碳酸锂。
所述的步骤(3)的印刷的方法选自辊印、丝网印刷或转印。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.对重要的原料碳纤维和导电粉采用干式配置比现有技术更易于控制实际含量；分散均匀，对扩散材料的导电率、透气率的控制，更方便、正确。
2.导电粉的浆料采用印刷法，可根据不同要求，通过控制其导电粉浆料的点状的分布，和对印刷厚度的均匀度控制，来进行对产品的电导率、透气率的控制。
3.通过多层复合，来进行对产品的横向的电导率、横向的热传导率和透气率控制。
4.方便地按需要在扩散层的二面处理成疏水层或处理成二面都是亲水层，还可根据特殊要求加工成一面是疏水层，一面是亲水层。
5.由于连续生产过程中，各材料以固态和浆料形式(非液体分散形式)出现，对各材料配比可达到精确控制，从而达到对各项技术指标的精确控制，保证产品的每个批次和各批次之间的品质的一致性。
附图说明
图1为导电与气体扩散层材料的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，该方法包括以下工艺步骤：
首先选取聚丙烯薄膜其厚度为0.01mm，宽为50mm，长为150mm，放在下面垫有不锈钢金属丝网。同时放在电加热板上，电加热板的温度为110℃。用振动分散栅将长10mm，直径为7umm的碳纤维(PAN)均匀地散落在聚丙烯薄膜上。随后将电加热板降温，得到10g/m2碳纤维结构基材—扩散层。
然后将颗粒直径为300目的膨胀石墨和导电碳黑各5克，链长为150纳米的二氧化硅1克，碳酸氢铵1克，用环氧树脂丙酮溶液20克(其中环氧树脂1克，双氰胺0.05克)分散调制成导电浆料；用辊印法，将导电浆料印刷到碳纤维结构基材—扩散层上，浆料厚度为0.1mm，经100℃温度干燥后得到含有导电浆料层的扩散层；在180℃的热压机50kg/cm2压力下加压10分钟，即可得到厚度为0.1mm亲水性的导电扩散层材料。测得电阻率为100Ωcm2，透气率为50mmAq/mm。
实施例2
选取聚丙烯薄膜其厚度为0.01mm，宽为50mm，长为150mm，放在下面垫有不锈钢金属丝网。同时放在电加热板上，电加热板的温度为110℃。用振动分散栅将长10mm，直径为7umm的碳纤维(PAN)均匀地散落在聚丙烯薄膜上。随后将电加热板降温，得到10g/m2碳纤维结构基材—扩散层。
将颗粒直径为300目的膨胀石墨和导电碳黑各5克，直径为80纳米的PTFE粉末1克，碳酸氢铵1克，用环氧树脂乙腈溶液20克(其中环氧树脂1克，双氰胺0.05克)分散调制成导电浆料；用辊印法，将导电浆料印刷到碳纤维结构基材—扩散层上，浆料厚度为0.1mm，经100℃温度干燥后得到含有导电浆料层的扩散层；在180℃的热压机50kg/cm2压力下加压10分钟，随后放入380℃的烘箱中加热20分钟，即可得到厚度为0.1mm疏水性的导电扩散层。测得电阻率为100Ωcm2，透气率为6mmAq/mm。
实施例3
将实施例1和2目的物二片叠加，即，将导电浆料层背面叠加，在220℃的热压机50kg/cm2压力下，加压10分钟，即可得到厚度为0.15mm一面是疏水性，另一面是亲水性导电扩散层。测得电阻率为30Ωcm2，透气率为8mmAq/mm。
实施例4
将实施例1的产品目的物上再次用辊印法印上一层实施例1的导电浆料；和实施例2的产品目的物二片叠加，用表面喷雾法将丙酮溶液湿润叠加物后，在110℃的温度下干燥。然后在180℃的热压机50kg/cm2压力下，加压10分钟，随后放入380℃的烘箱中热处理20分钟，即可得到厚度为0.21mm一面是疏水性，另一面是亲水性导电扩散层。测得电阻率为10Ωcm2，透气率为15mmAq/mm。
根据本发明，可以在大批量生产过程中，对各材料含量达到精确控制，从而保证产品批量生产时品质的一致性。同时，在连续生产时产品单体的两面，可全是亲水的或全是疏水，也可制造出一面是疏水、一面是亲水，达到不同的使用要求和目的。避免后续应用中的再处理工艺，从而降低应用中的制造成本。

Claims (10)

1.一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，其特征在于，所述的方法包括以下工艺步骤：
(1)选取厚度均匀的有机薄膜作为粘接剂材料，在膜下垫一层金属或非金属丝网，并一起置于加热装置中，将该加热装置的温度调节在低于上述有机薄膜半熔融状态的温度点，使有机薄膜处于软化状态；
(2)将长度7～12毫米，直径5～9微米的聚丙烯晴基(PAN)的碳纤维通过震荡器和分散栅，使碳纤维均匀地散落在步骤(1)的处于半熔融态的有机薄膜上，随后在其表面加压，使碳纤维与有机薄膜在力的作用下进行扩散和渗透，经降温后形成结构材料一扩散层；
(3)将导电粉与所需的其他材料混和成导电粉浆料，用印刷的方法将导电粉浆料均匀地转移到步骤(2)目的物-扩散层的一面或二面上烘干，既可以得到二面都是疏水性的扩散层或亲水层的扩散层，也可得到一面是疏水性的，而另一面是亲水性的扩散层；
(4)将步骤(3)目的物的一片或多片，加热加压，制成厚度为0.10～1.5毫米的导电与气体扩散层材料。
2.根据权利要求1所述的一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，其特征在于，所述的有机薄膜作为粘接剂材料，其材质选自含有亲水性材料的树脂材料，如掺入二氧化硅、二氧化钛、氧化锆等亲水性材料的树脂、或本身为亲水性树脂如NAFION树脂、聚丙烯酰胺树脂，或选自疏水性树脂材料，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯、聚乙烯醇、纤维素、环氧树脂溶液。
3.根据权利要求1或2所述的一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，其特征在于，所述的厚度均匀的有机薄膜，其厚度根据有机薄膜占导电粉浆料重量百分比而计算得出；具体公式为：重量百分比＝〔(有机薄膜厚度×产品面积×有机薄膜密度)/导电材料重量)×100％，有机薄膜重量百分比为0.5％～50％。
4.根据权利要求1所述的一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，其特征在于，所述的金属或非金属丝网，其材质耐温温度应高于有机薄膜的分解点温度。
5.根据权利要求1所述的一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，其特征在于，所述的步骤(1)、(4)的加热装置，其加热方式可以是直接接触传导方式如电加热板、电加热油加热板、电加热水加热板，或对流传热方式如热风吹，或辐射传热方式如红外线照射，或微波振荡加热方式。
6.根据权利要求1所述的一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，其特征在于，所述的步骤(2)、(4)的表面加压，其加压方式可以是直接接触加压方式如压机加压或辊压，或者非接触加压方式如高速气流表面吹压。
7.根据权利要求1所述的一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，其特征在于，所述的步骤(3)的导电粉选自膨胀石墨粉、天然石墨粉或导电碳黑，其颗粒直径为10～1000目。
8.根据权利要求1所述的一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，其特征在于，所述的步骤(3)的其他材料包括与步骤(1)中的有机薄膜作为粘接剂材料相同或不同材料的有机材料；包括亲水性或混有亲水性材质颗粒的材料，如选自掺入二氧化硅、二氧化钛、氧化锆等亲水性材料的树脂、或本身为亲水性树脂如NAFION树脂、聚丙烯酰胺树脂；或者包括疏水性树脂材料的有机溶液，如选自聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯、聚乙烯醇、环氧树脂溶液。
9.根据权利要求1所述的一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，其特征在于，所述的步骤(3)的其他材料还包括造孔剂，该造孔剂选自碳酸氢铵、草酸铵、碳酸锂。
10.根据权利要求1所述的一种电化学发电装置中导电与气体扩散层材料的制造方法，其特征在于，所述的步骤(3)的印刷的方法选自辊印、丝网印刷或转印。
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