DE102008004005A1 - Process to make fuel cell gas diffusion cell by hydro-interlacing carbon fiber matrix followed by further treatment stages - Google Patents

Abstract

Claimed is a process a multi-stage process to manufacture a carbon fibre gas diffusion screen that is also an electrical conductor. The process consists of the stages: carding, hydro-interlacing, submergence in resin, hot-press, smoothing, surface treatment, first carbonisation stage, second carbonisation stage, and final-stage treatment. In the hydro-interlacing stage a matrix of horizontal fibres is exposed to an array of water jets that exert uniform pressure to create a thin carbon fibre matrix-film. The matrix-film has greater tensile strength and porosity, and less electrical resistance than the initial material. Further claimed is the use of the carbon fibre gas diffusion screen as part of a hydrogen fuel cell. In the hydro-interlacing stage, many horizontal fibres are bent downwards to entangle with other fibres and resulting in a gas diffusion screen that may be thinner than 15 microns.

Description

Background of the invention

1. Field of the invention

The The present invention relates to a carbon fiber conductive sheet and a method for producing such a carbon fiber sheet. With the aid of this invention, it should be noted that the hydroentanglement process is the Fiber evenly distributed. The hydroentanglement process does not destroy the fiber material. There is a possibility to make a conductive arc of carbon fiber thinner than 15 microns is. To come that this Invention between two sides of this arc a high electrical conductivity offers.

2. Description of the state of the technique

• 1) Nadeleinstichschritt 91: wie schematisch in 3 gezeigt, werden viele Metallnadeln 81 in die Fasern 71 des Fasermaterials 70 gepreßt, um so einen Verfilzungsprozeß zu bewirken;
• 2) Harzeintauchschritt 92: Anordnen des Fasermaterials 70, das in das Harz einzutauchen ist;
• 3) Heißpreßschritt 93: Durchführung eines Heißpreßprozesses mit dem Fasermaterial 70 zwecks Härtung;
• 4) Karbonisierungsbehandlungsschritt 94: Erwärmen des Fasermaterials 70 (in einem Karbonisierungsofen) zwecks Karbonisierung;
• 5) Endbearbeitungsschritt 95: Erhalt eines leitfähigen Kohlefaserbogens (wie in den 4 und 5 gezeigt, wird das karbonisierte Fasermaterial 70 zu dem leitfähigen Kohlefaserbogen)

Like from the 1 and 2 As is apparent, the manufacturing method of a conventional conductive carbon fiber sheet has the following steps:

• 1) Needle insertion step 91 : as shown schematically in 3 shown are many metal needles 81 in the fibers 71 of the fiber material 70 pressed so as to effect a felting process;
• 2) resin dipping step 92 : Arranging the fiber material 70 which is to be immersed in the resin;
• 3) hot pressing step 93 : Carrying out a Heißpreßprozesses with the fiber material 70 for hardening;
• 4) carbonation treatment step 94 : Heating the fiber material 70 (in a carbonization furnace) for carbonization;
• 5) Finishing step 95 : Obtaining a conductive carbon fiber sheet (as in the 4 and 5 shown is the carbonized fiber material 70 to the conductive carbon fiber sheet)

• 1) Nach dem Nadeleinstich sind die Fasern nicht gleichmäßig verteilt. Wie aus 3 ersichtlich, drücken sich viele feste Nadeln 81 in das Fasermaterial 70 (mit einer Dicke von 300 μm), was die Nadeleinstichbehandlung ausmacht. Ein zweiter Abstand W2 (etwa 500 μm) wird als der Abstand zwischen zwei benachbarten Nadeln 81 definiert. Jede Nadel 81 hat einen zweiten Durchmesser D2 von annähernd 200 μm. Dazu kommt, daß eine einzelne Faser 71 einen Durchmesser von etwa 10 μm aufweist. Daher hat die Nadel 81 (mit dem Durchmesser von 500 μm) die Gesamtdicke von 50 Fasern, die nebeneinander angeordnet sind. Im Hinblick auf die Faser 71 ist die Nadel 81 relativ groß. Unterdessen ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Nadeln 81 relativ groß. Die Fasern 71 im Berührungsbereich (berührend die Nadeln 81) sind dichter. Jedoch sind die Fasern 71 in dem Nichtberührungsbereich ziemlich locker. Somit sind nach einem derartigen herkömmlichen Nadeleinstichschritt die Fasern 71 nicht gut verteilt.
• 2) Der Nadeleinstichprozeß kann das Fasermaterial leicht zerstören. Wie in 4 gezeigt, hat das Fasermaterial 70 eine erste Dicke T1, bevor der Nadeleinstichprozeß stattfindet. Nach dem Nadeleinstichprozeß sind einige Fasern miteinander verflochten (um dadurch sowohl die Zugfestigkeit als auch die elektrische Leitfähigkeit zwischen den beiden Seiten des Bogens zu vergrößern). Die feste Nadel 81 jedoch (siehe 3) kann das Fasermaterial 70 leicht brechen oder zerstören. Es ist einfach, einige Durchgangslöcher 72 zu erzeugen. Wenn ein derartiges Produkt als Gasdiffusionsschicht (bezogen auf den leitfähigen Kohlefaserbogen 20A in 6) einer typischen Brennstoffzelle benutzt wird, bewirkt die Zone mit mehr Durchgangslöchern 72 (wie in 4 gezeigt) einen größeren Gasdurchtritt, während die Zone mit weniger Durchgangslöchern 72 einen geringeren Gasdurchtritt ermöglicht. Daher ist der Gasdurchtritt nicht gleichmäßig verteilt. Die elektrochemischen Reaktionen werden nicht gleichmäßig stattfinden.
• 3) Die Nadeln können leicht einen dünnen Fasermaterialbogen durchstechen. Wie aus 5 ersichtlich, stechen sich, sobald die erste Dicke T1 sich auf die zweite Dicke T2 verringert, diese Nadeln 81 durch das Fasermaterial 70 und bilden dann einige Durchstichlöcher 73. Insbesondere dann, wenn die zweite Dicke dünner als 20 μm ist, sind derartige Durchstichlöcher 73 unvermeidbar.
• 4) Die elektrische Leitfähigkeit zwischen beiden Seiten des Bogens ist schwach. Wenn die Fasern 71 nicht gleichmäßig verteilt sind und weniger senkrecht angeordneten Fasern 71 vorhanden sind, ist der Gasdurchtritt nicht gleichförmig, und die elektrische Leitfähigkeit zwischen beiden Seiten des Bogens wird schwach.

The conventional conductive carbon fiber sheet has the following disadvantages or problems.

• 1) After the needle penetration, the fibers are not evenly distributed. How out 3 As you can see, many solid needles are pressing 81 into the fiber material 70 (with a thickness of 300 microns), which makes the Nadeleinstichbehandlung. A second distance W2 (about 500 μm) is considered the distance between two adjacent needles 81 Are defined. Every needle 81 has a second diameter D2 of approximately 200 μm. On top of that, a single fiber 71 has a diameter of about 10 microns. Therefore, the needle has 81 (with a diameter of 500 μm) the total thickness of 50 fibers arranged side by side. With regard to the fiber 71 is the needle 81 relatively large. Meanwhile, the distance between two adjacent needles 81 relatively large. The fibers 71 in the contact area (touching the needles 81 ) are denser. However, the fibers are 71 rather loose in the non-contact area. Thus, after such a conventional needle-penetration step, the fibers are 71 not well distributed.
• 2) The needle piercing process can easily destroy the fiber material. As in 4 shown has the fiber material 70 a first thickness T1 before the needle piercing process takes place. After the needle-piercing process, some fibers are intertwined (thereby increasing both the tensile strength and the electrical conductivity between the two sides of the sheet). The solid needle 81 however (see 3 ) can the fiber material 70 easily break or destroy. It's easy, some through holes 72 to create. When such a product as a gas diffusion layer (based on the conductive carbon fiber sheet 20A in 6 ) of a typical fuel cell causes the zone with more through holes 72 (as in 4 shown) a larger gas passage, while the zone with fewer through holes 72 allows a smaller gas passage. Therefore, the gas passage is not evenly distributed. The electrochemical reactions will not take place evenly.
• 3) The needles can easily pierce a thin fiber material sheet. How out 5 As can be seen, as soon as the first thickness T1 decreases to the second thickness T2, these needles stick out 81 through the fiber material 70 and then make a few puncture holes 73 , In particular, when the second thickness is thinner than 20 μm, such puncture holes are 73 unavoidable.
• 4) The electrical conductivity between both sides of the arc is weak. If the fibers 71 are not evenly distributed and less vertically arranged fibers 71 are present, the gas passage is not uniform, and the electrical conductivity between both sides of the arc is weak.

Summary of the invention

The The main object of the present invention is to provide a conductive carbon fiber sheet as well as to create a manufacturing process for this arch, where the hydroentangling process makes the fibers even and uniform well distributed.

The Another object of the present invention is to provide a conductive Carbon fiber sheet and to provide a manufacturing method therefor wherein the hydroentangling process does not destroy the fibrous material.

Still another object of the present invention is to provide a conductive carbon fiber sheet and a manufacturing method for the It is possible to develop a sheet with which it is possible to produce a conductive carbon fiber sheet thinner than 15 μm.

Finally exists Yet another object of the present invention therein, a conductive Carbon fiber sheet and a manufacturing process to create with the a high electrical conductivity between both sides of this arc is achieved.

Brief description of the drawings

1 Fig. 12 is a diagram for producing the conventional conductive carbon fiber sheet;

2 Fig. 13 is a view showing a part of the structure of the conventional sheet;

3 Fig. 13 is a view showing the needle drop operation in the conventional method;

4 shows a possible result after the needle insertion operation in the conventional method;

5 shows another result after the needle insertion operation in the conventional method;

6 Fig. 15 is a perspective view showing the application of the present invention in the field of fuel cell;

7 FIG. 12 is a diagram of the manufacturing process of the present invention; FIG.

8th Fig. 13 is a view showing the hydro-entanglement processing step in this invention;

9A and 9B are enlarged views showing processes in hydroentanglement processing;

10 is a cross-sectional view of the final product of this invention;

11 is another application of this invention.

Detailed description the preferred embodiment

• 1) Krempelschritt 11: es wird ein Fasermaterial 20 geschaffen, das eine Vielzahl Fasern 21 enthält, und dann einem Krempelprozeß unterworfen, so daß die meisten Fasern 21 im wesentlichen waagerecht liegen. Außerdem können die Baumwollknöllchen und Fremdteilchen in diesem Schritt entfernt werden.
• 2) Hydroverflechtungs-(oder Spinnfadenlegen-)Behandlungsschritt 12: dieser Schritt verwendet eine Vielzahl von Hydroverflechtungsdüsen 31 zur Erzeugung vieler Mikrowasserstrahlen 311 auf dem Fasermaterial 20, um auf diese Weise auf das Fasermaterial 20 einen gleichmäßigen Druck auszuüben und so einen dünnen Film zu bilden. Insbesondere kann eine Dicke des Fasermaterials 20 durch Druckausübung auf annähernd 15 μm oder 10 μm reduziert werden. Zwischen zwei benachbarten Mikrowasserstrahlen 311 ergibt sich ein Spalt (der als ein erster Abstand W1 definiert ist). Der erste Abstand W1 beträgt annähernd 100–200 μm. Jeder Mikrowasserstrahl 31 hat einen Durchmesser (definiert als Strahldurchmesser D1) von annähernd 50 μm. Demzufolge werden einige Fasern 21 des Was sermaterials 20 und dieser starken Mikrofaserstrahlen 311 senkrecht nach unten gebogen. Dadurch werden die Fasern 21 miteinander verflochten (wie in den 9A und 9B gezeigt), so daß die Festigkeit und Porosität des Fasermaterials erhöht wird. Darüber hinaus kann sich dadurch sein elektrischer Widerstand verringern.
• 3) Harzeintauchschritt 13: bei diesem Schritt wird das Fasermaterial 20 so angeordnet, daß es in ein Polymerharz getaucht wird.
• 4) Heißpreßschritt 14: hier wird das Fasermaterial 20 einer Heißpreßbehandlung unterzogen.
• 5) Glättungsschritt 15: hier wird eine Glättungsbehandlung an dem Fasermaterial 20 durchgeführt.
• 6) Oberflächenvergütungsschritt 16: in diesem Schritt wird das Fasermaterial 20 einer Oberflächenveredlung zugeführt.
• 7) Erster Karbonisierungsbehandlungsschritt 17: hier wird das Fasermaterial 20 auf 950°C bis 1050°C (in einem Karbonisierungsofen) über eine vorbestimmte Zeitspanne zur ersten Karbonisierung und zur Entfernung von Verunreinigungen erhitzt. Möglicherweise können die Verunreinigungen (die grob gerechnet 30% des Gesamtgewichtes ausmachen) vollständig entfernt werden.
• 8) Zweiter Karbonisierungsbehandlungsschritt 18: der Schritt besteht darin, daß das Fasermaterial 20 auf 1700°C bis 1900°C über eine weitere vorbestimmte Zeitspanne erhitzt wird, um die zweite Karbonisierung und Erhöhung seiner Reinheit zu erreichen.
• 9) Endbearbeitungsschritt 19: es läßt sich ein leitfähiger Kohlefaserbogen 20A (wie in 10 gezeigt) erhalten.

In the 7 and 8th In the present invention, a conductive carbon fiber sheet and its manufacturing method are shown. As far as the manufacturing process is concerned, this consists of the following steps.

• 1) carding step 11 : it becomes a fiber material 20 created a variety of fibers 21 contains, and then subjected to a carding process, so that most of the fibers 21 lie substantially horizontally. In addition, the cotton nodules and foreign particles can be removed in this step.
• 2) Hydroentanglement (or spunbonding) treatment step 12 This step uses a variety of hydroentanglement nozzles 31 to generate many micro water jets 311 on the fiber material 20 to get that way on the fiber material 20 to apply a uniform pressure and thus to form a thin film. In particular, a thickness of the fiber material 20 be reduced by applying pressure to approximately 15 microns or 10 microns. Between two adjacent micro-water jets 311 the result is a gap (defined as a first distance W1). The first distance W1 is approximately 100-200 μm. Every micro water jet 31 has a diameter (defined as beam diameter D1) of approximately 50 μm. As a result, some fibers 21 of the water 20 and these strong microfiber beams 311 bent vertically downwards. This will make the fibers 21 intertwined with each other (as in the 9A and 9B shown), so that the strength and porosity of the fiber material is increased. In addition, this can reduce its electrical resistance.
• 3) resin dipping step 13 : at this step the fiber material becomes 20 arranged so that it is immersed in a polymer resin.
• 4) hot pressing step 14 : here is the fiber material 20 subjected to a hot pressing treatment.
• 5) smoothing step 15 : here becomes a smoothing treatment on the fiber material 20 carried out.
• 6) Surface treatment step 16 : in this step becomes the fiber material 20 a surface treatment supplied.
• 7) First carbonation treatment step 17 : here is the fiber material 20 at 950 ° C to 1050 ° C (in a carbonizing oven) for a predetermined period of time for the first carbonization and for the removal of impurities. It is possible that the impurities (accounting for roughly 30% of the total weight) may be completely removed.
• 8) Second carbonation treatment step 18 the step is that the fiber material 20 at 1700 ° C to 1900 ° C for a further predetermined period of time to achieve the second carbonation and increase its purity.
• 9) Finishing step 19 : it can be a conductive carbon fiber sheet 20A (as in 10 shown).

What this conductive carbon fiber sheet 20A As far as that is concerned, it must be stated that he Substantially pliable, thin film is made of the fibers 21 consists. During hydroentanglement treatment, some of the horizontal fibers become 21 bent vertically downwards so that they are interlaced with neighboring fibers (to increase the electrical conductivity between both sides of this arc). Thereafter, the respective treatments are continued such as resin dipping, smoothing, surface finishing and the carbonating treatment steps. Finally, a flexible, conductive carbon fiber sheet 20A can be obtained, which is thinner than 250 microns.

In addition, it should be noted that the conductive carbon fiber sheet 20A consists of many fibers. After hydroentanglement treatment (so-called spunbonding), this fiber is bent both vertically downwards and evenly intertwined. Thus, the strength of the fibers can be increased and their electrical resistance reduced.

These Invention can be made in the form of a roll (by mass production) and the role leaves then into smaller pieces cut so that they as a gas diffusion layer of a fuel cell in other fields Can be used.

• a) Sie ist als Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle zu benutzen. Wie in 6 gezeigt, wird der leitfähige Kohlefaserbogen 20A (als Gasdiffusionsschicht) mit einem Paar kombiniert, bestehend aus einer ersten bipolaren Platte 201 und einer zweiten bipolaren Platte 202, so daß eine Brennstoffzelle entsteht.
• b) Die Erfindung ist ein Material mit hoher Leitfähigkeit und geeignet, gegen elektromagnetische Strahlung zu wirken. Da diese Erfindung eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit besitzt, läßt sie sich als Material mit hoher Leitfähigkeit und als Schutz gegen elektromagnetische Strahlung einsetzen.
• c) Sie kann einen Dünnfilmerhitzer bilden. Wie in 11 gezeigt, kann diese Erfindung auch eine erste Elektrode 203 und eine zweite Elektrode 204 aufweisen, die auf beiden Seiten des leitenden Kohlefaserbogen 20A angeordnet sind, um einen Dünnfilmerhitzer zu bilden. Indem ausreichend elektrischer Strom zwischen der ersten Elektrode 203 und der zweiten Elektrode 204 fließt, kann dieser leitfähige Kohlefaserbogen 20A Wärme erzeugen.
• d) Die Erfindung läßt sich als leitfähiger Kohlebogen, der hohe Porosität erfordert, benutzen.
• e) Sie kann in dem Produkt Anwendung finden, das einen hohen Verschleißwiderstand erfordert.

The present invention can be applied at least in the following fields.

• a) It is to be used as the gas diffusion layer of a fuel cell. As in 6 is shown, the conductive carbon fiber sheet 20A (as a gas diffusion layer) combined with a pair consisting of a first bipolar plate 201 and a second bipolar plate 202 , so that a fuel cell is created.
• b) The invention is a material with high conductivity and suitable to act against electromagnetic radiation. Since this invention has excellent electrical conductivity, it can be used as a material of high conductivity and protection against electromagnetic radiation.
• c) It can form a thin-film heater. As in 11 As shown, this invention may also include a first electrode 203 and a second electrode 204 have on both sides of the conductive carbon fiber sheet 20A are arranged to form a thin-film heater. By providing sufficient electrical current between the first electrode 203 and the second electrode 204 flows, this conductive carbon fiber sheet can 20A Generate heat.
• d) The invention can be used as a conductive carbon sheet, which requires high porosity.
• e) It can be used in the product that requires high wear resistance.

Finally, it is possible to use this invention in another field, the one conductive electrode required.

• 1) Die Hydroverflechtungsbehandlung verteilt die Fasern gleichmäßig. Diese Erfindung verwendet viele Mikrowasserstrahlen, um das Hydroverflechtungsverfahren (oder sogenanntes Spinnfadenlegen) durchzuführen. Somit vergrößern mehr Verflechtungen unter den Fasern die Zugfestigkeit des Materials bei einer ausgezeichneten Verteilung und Porosität.
• 2) Die Hydroverflechtungsbehandlung führt nicht zur Zerstörung des Fasermaterials. Da Wasser eine Flüssigkeit ist, die fließfähig ist, ist die Möglichkeit zur Zerstörung der waagerechten, senkrechten oder verwickelten Fasern gering.
• 3) Es besteht die Möglichkeit, einen leitfähigen Kohlefaserbogen herzustellen, der dünner als 15 μm ist. Da diese Erfindung das Hydroverflechtungsverfahren verwendet, ist es möglich, einen leitfähigen Kohlefaserbogen dünner als 15 μm herzustellen.
• 4) Diese Erfindung führt zu einer größeren elektrischen Leitfähigkeit zwischen beiden Seiten des genannten Bogens. Das Hydroverflechtungsverfahren bewirkt, daß die Fasern kompakter und dichter angeordnet werden. Somit ist die Zugfestigkeit des Materials gut. Die Fasern sind gleichmäßig verteilt und haben eine ausgezeichnete Porosität und hohe elektrische Leitfähigkeit. Dieser Bogen kann als Rolle gewickelt werden, um leichter und billiger gelagert oder transportiert werden zu können.

The advantages and objects of the present invention can be summarized as follows.

• 1) The hydroentanglement treatment distributes the fibers evenly. This invention uses many micro-water jets to perform the hydroentanglement (or so-called spunbonding) process. Thus, more entanglements among the fibers increase the tensile strength of the material with excellent distribution and porosity.
• 2) The hydroentanglement treatment does not lead to the destruction of the fiber material. Since water is a liquid that is fluid, the possibility of destroying the horizontal, vertical or entangled fibers is low.
• 3) It is possible to make a conductive carbon fiber sheet thinner than 15 μm. Since this invention uses the hydroentanglement method, it is possible to make a conductive carbon fiber sheet thinner than 15 μm.
• 4) This invention results in greater electrical conductivity between both sides of said arc. The hydroentanglement process causes the fibers to be more compact and denser. Thus, the tensile strength of the material is good. The fibers are evenly distributed and have excellent porosity and high electrical conductivity. This sheet can be wound as a roll to be stored and transported easier and cheaper.

Claims (7)

A conductive carbon fiber sheet manufacturing method comprising the steps of: 1) carding step of producing a fiber material of a plurality of fibers, performing a carding process for that fiber material so that most of the fibers are arranged substantially horizontally; 2) hydroentanglement treatment step: using a plurality of hydroentanglement nozzles to produce a plurality of micro-water jets on the fibrous material so that a uniform pressure is applied to the fibrous material to form a thin film; some of the fibers of this fibrous material are bent down vertically by the micro-water jet, and the fibers are caused to intertwine with each other to increase the tensile strength of the material and the porosity and reduce its electrical resistance; 3) resin dipping step: arranging the fiber material for dipping in the resin; 4) hot pressing step: performing a hot pressing process on the fiber material; 5) smoothing step: performing a smoothing operation on the fiber material; 6) Surface treatment step: performing a surface finishing process for the fiber material; 7) First carbonization step: heating the fiber material at 950 ° C to 1050 ° C for a predetermined period of time for the first carbonization and removal of impurities; 8) second carbonization step: heating the fiber material at 1700 ° C to 1900 ° C for a further predetermined period of time for second carbonation and increasing the purity; and 9) Finishing step: obtaining a conductive carbon fiber sheet. Production process for a conductive carbon fiber sheet according to claim 1, wherein between two adjacent micro-water jets a gap of approximate 100-200 microns formed and each micro water jet during the hydroentanglement processing step a diameter of approximately 50 microns. Manufacturing process for a sheet of conductive carbon fibers according to claim 2, wherein the hydroentangling nozzles generate micro-water jets, to exert pressure on the fiber material so that it has a thickness of approximately 10 microns. Bow made of conductive Carbon fibers, characterized in that this sheet is a flexible, thin film is that consists of fibers that some of the horizontal fibers through a hydroentanglement treatment step be intertwined with each other, being perpendicular to the bottom bend so that she with adjacent fibers form a braid and that then the material by resin dipping, smoothing, surface finishing and treated by carbonation treatment steps a flexible, conductive Carbon fiber sheet with a thickness of less than 250 microns to form. Bow made of conductive Carbon fibers according to claim 4, wherein the thickness of the conductive carbon fiber sheet thinner than 50 μm is. Bow made of conductive Carbon fibers according to claim 4, further comprising a pair of bipolar ones Plates for forming a fuel cell. Bow made of conductive Carbon fibers according to claim 4, further comprising a first electrode and a second electrode disposed on both sides of the conductive carbon fiber sheet are arranged to a thin-film heater to build.