CN102456886B - 一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法，包括以下步骤：首先对气体扩散层浸渍疏水乳液，烘干并灼烧固化，得到处理好的气体扩散层，然后担载碳粉-树脂混合浆料并进行烘干并灼烧固化，最后对担载有碳粉-树脂混合浆料的气体扩散层进行热压处理，即得到高弯曲强度的气体扩散层。与现有技术相比，本发明保证满足燃料电池对扩散层的要求，不影响燃料电池性能发挥，使得碳纤维布作为一种优越的导电材料能作为扩散层材料成功应用在燃料电池中，其在弯曲强度已经完全可以替代碳纸，可以作为增强的扩散层材料在电池中进行实际应用。

Description

一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其是涉及一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法。
背景技术
PEMFC电极是一种气体扩散电极，PEMFC电极是一种多孔的气体扩散电极，而气体扩散层是电极的重要组成材料。常用的气体扩散层材料有碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布及碳黑纸等。其中碳纤维纸是一种广泛应用于电极中的气体扩散层材料，PEMFC它必须满足以下性能要求：(1)均匀的多孔质结构，赋予它优异的透气性能；(2)低的电阻率，赋予它高的电子传导能力；(3)结构紧密且表面平整，减小接触电阻，提高导电性能；(4)具有一定的机械强度，利于电极的制作，提供长期操作条件下电极结构的稳定性；
如Toray公司和Ballard公司的碳纤维纸既在机械性能上达到了一定的强度，同时也保持着良好的电学、热学性能和气体透过率。多种稳定性能及其高性价比是碳纤维纸目前发展的主要方向。
但是碳纸在实际应用过程中也有缺点，如容易折断，抗压性能不好，压缩后结构变形，回弹力差，可循环性不好，电池装配后基本上是一次性使用，很难反复再用。
碳纤维编织布、非织造布作为一种容易弯曲气体扩散材料同碳纸相比具有非常多的优点，如容易弯曲，不容易折断，抗压性能好，不容易折断，回弹力好，可以反复使用。此外还有碳布生产过程简单，生产工艺稳定，便于大批量生产操作等优点。
但是碳布固有的柔软特性使其在电池中的应用大受限制，目前代表性的公司E-TEK曾使用碳布作为电池扩散层在小面积的电极中应用，是一种将扩散层电极同膜热压在一起的MEA电极，扩散层材料很容易弯曲。虽然碳布上也担载了PTFE同碳粉的微孔层，一般担载量在3-5mg/cm2，其主要目的是用来提高燃料电池的性能，对柔软的碳布增强作用不大。
目前燃料电池应用中，更多是采用一种CCM同扩散层材料依靠机械组装力的作用压在一起，如果扩散层材料过软，势必造成电池流道部分因为缺少机械压力CCM电极同扩散层材料之间的结合力不好，造成接触电阻增加。众多科研工作者因为碳布柔软，容易弯曲，不利于电极材料之间的电接触，一般不选碳布作为燃料电池的气体扩散材料。
如果采用碳布作为燃料电池的扩散层材料，就应当对材料进行增强方法很多，如使用金属网增强，加入固化胶进行增强等。但考虑到燃料电池的应用环境，燃料电池扩散层的孔结构对燃料电池的电性能影响等，上述提到的方法已经不能做燃料电池气体扩散层，或者是不经济的，应用价值不大。
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陷而提供一种不影响燃料电池性能的提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)首先对气体扩散层浸渍疏水乳液，烘干并灼烧固化，得到处理好的气体扩散层；
(2)在处理好的气体扩散层上担载碳粉-树脂混合浆料，然后进行烘干并灼烧固化；
(3)对担载有碳粉-树脂混合浆料的气体扩散层进行热压处理，即得到高弯曲强度的气体扩散层。
所述的气体扩散层为厚度0.1～0.6mm的碳纤维纺织布或碳纤维无纺布。
所述的疏水乳液为浓度为5～60wt％的PTTE乳液。
所述的碳粉-树脂混合浆料的担载量为12.1～100mg/cm2。
所述的碳粉-树脂混合浆料中的碳粉为导电碳粉或石墨粉，粒径在15纳米～45微米之间。
所述的碳粉-树脂混合浆料中的树脂为疏水性树脂，包括市售PTFE树脂、FEP树脂或PVDF树脂。
所述的烘干的温度为70～90℃。
所述的灼烧固化的温度为200～380℃。
所述的热压处理的温度为170～360℃，压力为30～300kg/cm2。
所述的热压处理的温度为200～300℃，压力为60～200kg/cm2。
与现有技术相比，本发明在保证满足燃料电池对扩散层的要求，不影响燃料电池性能发挥，使得碳纤维布作为一种优越的导电材料能作为扩散层材料成功应用在燃料电池中，其在弯曲强度已经完全可以替代碳纸，可以作为增强的扩散层材料在电池中进行实际应用而不影响燃料电池电极性能发挥。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)将一片柔软的10cm*10cm的国产碳纤维编织布(1k线束斜纹编织，厚度0.5mm)放入10％PTFE乳液中浸渍，取出后在80℃温度下缓慢烘干，烘干后放入360℃马弗炉中进行烧结。
(2)取1克Carbot公司生产的Vulcan XC-72，加入50ml的乙醇和50ml的水超声震荡，15min后添加60％PTFE乳液2克，超声振荡15min后搅拌15min。将浆料放入分多次丝网印刷在10cm*10cm的国产碳纤维编织布上。这样可以制得单位面积担载浆料22mg/cm2的气体扩散层。
(3)将步骤1，2制得的扩散层放入油压机中进行热压，热压温度在220℃，压力在150kg/cm2热压后将压好的扩散层取出备用。
经过步骤1，步骤2，步骤3处理后的碳布其弯曲强度比没有处理前大幅度提高，弯曲强度由原来的10Mpa提高到22Mpa。
实施例2
(1)将一片柔软的10cm*10cm的台湾碳能科技产碳纤维编织布厚度0.36mm)放入30％PTFE乳液中浸渍，取出后在80℃温度下缓慢烘干，烘干后放入360℃马弗炉中进行烧结。
(2)取2克Carbot公司生产的Vulcan XC-72，加入50ml的乙醇和50ml的水超声震荡，15min后添加上海3F产60％PTFE乳液5克，超声振荡15min后搅拌15min。将浆料分多次丝网印刷在10cm*10cm的碳纤维编织布上。这样可以制得单位面积担载浆料50mg/cm2的气体扩散层。
(3)将步骤1，2制得的扩散层放入油压机中进行热压，热压温度在250℃，压力在100kg/cm2热压后将压好的扩散层取出备用。
经过步骤1，步骤2，步骤3处理后的碳布其弯曲强度比没有处理前大幅度提高，弯曲强度由原来的11Mpa提高到28Mpa。
实施例3
(1)将一片柔软的10cm*10cm的国产碳纤维无纺布(厚度0.3mm)放入20％PTFE乳液中浸渍，取出后在80℃温度下缓慢烘干，烘干后放入360℃马弗炉中进行烧结。
(2)取2克Carbot公司生产的Vulcan XC-72，加入50ml的乙醇和50ml的水超声震荡，15min后添加60％PTFE乳液5克，超声振荡15min后搅拌15min。将浆料放入分多次丝网印刷在10cm*10cm的国产碳纤维无纺布上。这样可以制得单位面积担载浆料50mg/cm2的气体扩散层。
(3)将步骤1，2制得的扩散层放入油压机中进行热压，热压温度在250℃，压力在100kg/cm2热压后将压好的扩散层取出备用。
经过步骤1，步骤2，步骤3处理后的碳布其弯曲强度比没有处理前大幅度提高。弯曲强度由原来的10Mpa提高到25Mpa。
从上面实施例1，2，3中，采用高质量碳粉-树脂涂层担载，高热压温度和高热压压力制得的扩散层其弯曲强度明显比E-TEK所提供的碳布电极高，其在弯曲强度已经完全可以替代碳纸。通过调配合适的温度，压力，担载量等参数，完全可以作为增强的扩散层材料在电池中进行实际应用而不影响燃料电池电极性能发挥。
实施例4
一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将厚度为0.1mm的碳纤维纺织布浸渍在浓度20wt％的PTTE疏水乳液中，控制温度为70℃烘干，然后利用马弗炉，控制温度为350℃进行灼烧固化，得到处理好的气体扩散层；
(2)在处理好的气体扩散层上担载由粒径为15纳米导电碳粉及PTFE树脂构成混合浆料，担载量为10.1mg/cm2，然后控制温度为70℃烘干，然后利用马弗炉，控制温度为350℃进行灼烧固化；
(3)对担载有混合浆料的气体扩散层进行热压处理，热压处理的温度为170℃，压力为300kg/cm2，即得到高弯曲强度的气体扩散层。
实施例5
一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将厚度为0.2mm的碳纤维无纺布浸渍在浓度30wt％的PTTE疏水乳液中，控制温度为80℃烘干，然后利用马弗炉，控制温度为360℃进行灼烧固化，得到处理好的气体扩散层；
(2)在处理好的气体扩散层上担载由粒径为100纳米石墨粉及FEP树脂构成混合浆料，担载量为50mg/cm2，然后控制温度为80℃烘干，然后利用马弗炉，控制温度为330℃进行灼烧固化；
(3)对担载有混合浆料的气体扩散层进行热压处理，热压处理的温度为200℃，压力为200kg/cm2，即得到高弯曲强度的气体扩散层。
实施例6
一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将厚度为0.5mm的碳纤维纺织布浸渍在浓度30wt％的PTTE疏水乳液中，控制温度为80℃烘干，然后利用马弗炉，控制温度为380℃进行灼烧固化，得到处理好的气体扩散层；
(2)在处理好的气体扩散层上担载由粒径为10微米导电碳粉及PTFE树脂构成混合浆料，担载量为70mg/cm2，然后控制温度为80℃烘干，然后利用马弗炉，控制温度为380℃进行灼烧固化；
(3)对担载有混合浆料的气体扩散层进行热压处理，热压处理的温度为300℃，压力为60kg/cm2，即得到高弯曲强度的气体扩散层。
实施例7
一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将厚度为0.6mm的碳纤维无纺布浸渍在浓度60wt％的PTTE疏水乳液中，控制温度为90℃烘干，然后利用马弗炉，控制温度为380℃进行灼烧固化，得到处理好的气体扩散层；
(2)在处理好的气体扩散层上担载由粒径为15微米石墨粉及PVDF树脂构成混合浆料，担载量为100mg/cm2，然后控制温度为90℃烘干，然后利用马弗炉，控制温度为200℃进行灼烧固化；
(3)对担载有混合浆料的气体扩散层进行热压处理，热压处理的温度为200℃，压力为30kg/cm2，即得到高弯曲强度的气体扩散层。

Claims (4)

1.一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）首先对气体扩散层浸渍疏水乳液，烘干并灼烧固化，得到处理好的气体扩散层；
（2）在处理好的气体扩散层上担载碳粉-树脂混合浆料，然后进行烘干并灼烧固化；
（3）对担载有碳粉-树脂混合浆料的气体扩散层进行热压处理，即得到高弯曲强度的气体扩散层；
所述的气体扩散层为厚度0.1～0.6mm的碳纤维纺织布或碳纤维无纺布；
所述的碳粉-树脂混合浆料中的碳粉为导电碳粉或石墨粉，粒径在15纳米～45微米之间；
所述的碳粉-树脂混合浆料中的树脂为疏水性树脂；
所述的烘干的温度为70～90℃，所述的灼烧固化的温度为200～380℃；
所述的碳粉-树脂混合浆料的担载量为12.1～100mg/cm2；
所述的热压处理的温度为170～360℃，压力为30～300kg/cm2。
2.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法，其特征在于，所述的疏水乳液为浓度为5～60wt%的PTTE乳液。
3.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法，其特征在于，所述的疏水性树脂包括市售PTFE树脂、FEP树脂或PVDF树脂。
4.根据权利要求1所述的一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法，其特征在于，所述的热压处理的温度为200～300℃，压力为60～200kg/cm2。
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