CN207558942U - 一种质子交换膜燃料电池气体扩散层碳纸 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种碳纤维纸，旨在提供一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层材料。该气体扩散层碳包括：碳纤维层、微孔导电涂层。碳纤维层中分布有纳米碳纤维和短切碳纤维，碳纤维层上下为石墨烯和PETE组成的微孔导电涂层。本实用新型的优点是：多层多相结构，其中微孔导电涂层具有表面疏水的微孔结构和高导电性，能提高燃料电池膜电极的排水速率和导电性，进而提高燃料电池的电流效率。因此本实用新型的燃料电池气体扩散层碳纸具有高导电性、高排水性和稳定性好等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种碳纤维纸，尤其涉及一种适用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层碳纸。
背景技术
能源问题一直都是一个涉及到国家安全、社会安定的重要问题，而传统的能源往往具有很强的环境污染力，在当今提倡绿色发展的社会里，新能源的开发与利用的重要性不言而喻。而洁净、高效的新能源PEMFC作为新一代洁净、高效的发电装置，以其工作温度低、启动速度快、功率密度较大、电池制造简单、寿命长、零排放等优点备受人们青睐。采用PEMFC氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性，使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型PEMFC发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变，极大地提高建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益。
气体扩散层材料在电极中起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还为电极反应提供燃料气体通道、电子通道和排水通道，不同的扩散层材料对于电极的结构、制造工艺和性能的影响也各不相同。目前，GDL基底材料主要有碳纸、碳纤维编织布、无纺布及炭黑纸等。碳纸不仅有均匀的多孔质薄层结构，导电性好，化学稳定性和耐热性好、且表面平整可减少电池内部接触电阻。因而，碳纸是现有国内外用于气体扩散层的首选材料。
现有碳纸是由碳纤维、木浆、纤维素纤维或聚乙烯酸短纤维等可碳化纤维相混合，制成纸浆，然后制成碳纸。由于碳纤维表面能低，与水的润湿性差，导致碳纸排水困难。质子交换膜燃料电池在反应过程不断产生液态水，现有气体扩散层碳纸容易造成水淹，降低了碳纸的使用寿命，并导致电池的电流效率下降。
为了克服上述已有技术存在的缺陷不足，本实用新型目的在于提供一种导电性和疏水排水性良好的气体扩散层碳纸，提高燃料电池膜电极的排水效率，防止水淹电极的发生。
实用新型内容
本实用新型是按如下技术方案来实现的：它是由碳纤维层、微孔导电涂层构成。其特征在于：所述碳纤维层为短切碳纤维以及均匀分散在其中的纳米碳纤维，碳纤维层上下表面分别涂布微孔导电涂层，所述微孔导电涂层为均匀分布有石墨烯的憎水树脂，所述碳纤维层的厚度为两层微孔导电涂层之和的四倍。
它是这样制备的：以不同形态的石墨烯为主体，PTFE为胶黏剂，制备憎水高导电涂料，以涂布方式均匀地涂覆到大孔基片碳纸的上下表面，形成憎水导电微孔层。
碳纤维层的原料为：按质量百分比计，包括：短切碳纤维70-85％，纳米碳纤维10-15％；合成纤维 5-10％；分散剂 1-3％。
微孔导电涂层的原料为：按质量百分比计，包括：石墨烯60-80％，聚四氟乙烯15-30％；其他助剂5-10％。
将所述的短切碳纤维、纳米碳纤维、合成纤维和分散剂等按比例混合配成溶液，搅拌均匀。制得的造纸浆液，按湿法造纸成型法制得碳纤维纸，控制定量80-100g/m2。
石墨烯、聚四氟乙烯和其他助剂按比例混合搅拌，配成分散均匀的导电憎水涂料，经造纸的辊式涂布方法，将导电憎水涂料涂覆在碳纸上下两个表面，单层涂布量为 10-12.5g/m2，后再经干燥处理制作成多层结构的气体扩散层碳纸。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：在碳纸表面引入高导电微孔层，降低了催化层和微孔层之间的液态水饱和度，对生成的水进行引导排出，并降低了微孔层与碳纸层的电阻，因此这种气体扩散层碳纸具有良好的导电性、稳定性和疏水排水等性能。本实用新型燃料电池复合气体扩散层运用在燃料电池上，可以有效提高燃料电池的效率，提高燃料电池的水管理平衡，提高燃料电池的运行稳定性和使用寿命长。
附图说明
图1为本实用新型质子交换膜燃料电池气体扩散层碳纸的结构示意图。
1、碳纤维层；2、微孔导电涂层。
具体实施方式
参见图1，本实用新型的质子交换膜燃料电池气体扩散层碳纸，为薄层层状结构件，包括碳纤维层1和微孔导电涂层2。
实例 1 ：
碳纤维层1的原料为：按质量百分比计，包括：短切碳纤维70％，纳米碳纤维15％；合成纤维 10％；分散剂 5％。
微孔导电涂层2的原料为：按质量百分比计，包括：石墨烯60％，聚四氟乙烯30％；其他助剂10％。
将所述的短切碳纤维、纳米碳纤维、合成纤维和分散剂等按比例混合配成溶液，搅拌均匀。制得的造纸浆液，按湿法造纸成型法制得碳纤维纸，控制定量80g/m2。
石墨烯、聚四氟乙烯和其他助剂按比例混合搅拌，配成分散均匀的导电憎水涂料，经造纸的辊式涂布方法，将导电憎水涂料涂覆在碳纸上下两个表面，单层涂布量为12.5g/m2，后再经干燥处理制作成多层结构的气体扩散层碳纸。
本实例中制得的碳纸材料的一些性能指标如下：
定量为80g/cm2，厚度为0.20mm，孔隙率为55%，拉伸强度为70N/cm，体积密度为0.65g/cm3，电阻率为0.03Ω•cm。
实例 2 ：
碳纤维层1的原料为：按质量百分比计，包括：短切碳纤维84％，纳米碳纤维10％；合成纤维 5％；分散剂 1％。
微孔导电涂层2的原料为：按质量百分比计，包括：石墨烯80％，聚四氟乙烯15％；其他助剂5％。
将所述的短切碳纤维、纳米碳纤维、合成纤维和分散剂等按比例混合配成溶液，搅拌均匀。制得的造纸浆液，按湿法造纸成型法制得碳纤维纸，控制定量100g/m2。
石墨烯、聚四氟乙烯和其他助剂按比例混合搅拌，配成分散均匀的导电憎水涂料，经造纸的辊式涂布方法，将导电憎水涂料涂覆在碳纸上下两个表面，单层涂布量为 10g/m2，后再经干燥处理制作成多层结构的气体扩散层碳纸。
本实例中制得的碳纸材料的一些性能指标如下：
定量为100g/cm2，厚度为0.24mm，孔隙率为65%，拉伸强度为65N/cm，体积密度为0.60g/cm3，电阻率为0.02Ω•cm。
Claims (4)
1.一种质子交换膜燃料电池气体扩散层碳纸，包括碳纤维层（1）本体，其特征在于：碳纤维层（1）上下表面分别涂布微孔导电涂层（2）。
2.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层碳纸，其特征在于：所述碳纤维层（1）为短切碳纤维以及均匀分散在其中的纳米碳纤维。
3.根据权利要求1所述的燃料电池气体扩散层碳纸，其特征在于：所述微孔导电涂层（2）为均匀分布有石墨烯的憎水树脂。
4.根据权利要求1 所述的燃料电池气体扩散层碳纸，其特征在于：所述碳纤维层（1）的厚度为两层微孔导电涂层（2）之和的四倍。
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| CN113991129A (zh) * | 2021-10-28 | 2022-01-28 | 无锡威孚高科技集团股份有限公司 | 一种质子交换膜燃料电池气体扩散层微孔层及其制备方法 |
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| WO2023024770A1 (zh) * | 2021-08-23 | 2023-03-02 | 安徽大学 | 一种碳纤维与石墨烯复合的高强度多孔材料和气体扩散层及其制备方法 |
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