用于气体扩散层的多层碳基材制造技术

本申请提供了用于燃料电池的气体扩散层的碳基材，并且碳基材具有其中多个单元碳基材堆叠的结构，其中每个单元碳基材是具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的板型基材，碳纤维随机布置在每个单元碳基材的第一表面上，以单元碳基材的纵向布置的碳纤维的数量大于沿着单元碳基材的厚度方向从第一表面到第二表面以单元碳基材的横向布置的碳纤维的数量，因此显示出其中在纵向上的取向从第一表面到第二表面增加的取向梯度。

Multi layer carbon substrate for gas diffusion layer

The invention provides a carbon substrate for gas diffusion layer of fuel cell, and has a carbon substrate where a plurality of unit carbon substrate stacked structure, wherein each unit carbon substrate is a plate type substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface of the carbon fiber randomly arranged on the first surface of each unit of carbon substrate. With the number of carbon fiber longitudinal arrangement unit carbon substrate along the thickness direction is larger than the unit carbon substrate from the first surface to the second surface to the number of carbon fiber transverse layout unit of the carbon substrate, thus showing the orientation in the longitudinal direction from the first surface to the second surface to increase the orientation gradient.

【技术实现步骤摘要】
用于气体扩散层的多层碳基材相关申请的交叉引用本申请要求于2016年4月15日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0046500号的优先权和利益，其公开内容以引用方式整体并入本文。
一个或多个实施方式涉及用于燃料电池中的气体扩散层的碳基材，更具体而言，涉及这样的多层碳基材，其包括以纵向(MD)定向且彼此堆叠的多个单元碳基材以使包括多层碳基材的气体扩散层具有增加的机械强度和高的气体扩散性能。本专利技术概念是由韩国技术与信息推广(KoreaTechnologyandInformationPromotion)的融合集成技术机构(ConvergenceintegrationtechnologyAgency)资助的研究项目(项目ID.S2178322)的结果。
技术介绍
与其它燃料电池相比，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)具有低操作温度、高效率、高电流密度、高功率密度、短起始时间和响应于负载变化的快响应速度。在PEMFC中，分别向聚合物电解质膜(催化剂涂覆的膜，CCM)的阳极和阴极涂布催化剂。同样，PEMFC包括通过将气体扩散层附加到催化剂上而获得的膜电极组件(MEA)和附加至MEA的相对表面的双极板。气体扩散层(GDL)可以通过将用于微孔层(MPL)的碳浆料涂覆在包括多孔碳材料(例如碳布、碳毡和碳纸)的碳基材上而获得。在氢燃料电池车辆(HFCV)的领域中，当前问题之一是开发能够减少现有组分的体积，降低组分价格，增加其耐久性，并且获得具有高性能的燃料电池的组分和材料。用作燃料电池双极板以便降低燃料电池车辆(FCV)的价格并且增加能量密度的金属双极板具有比碳双极板大的堆叠压力，因此，向MEA和GDL施加的压力每单位面积大幅增加并且GDL可能塌陷。这可以导致燃料电池的性能和耐久性的劣化。此外，很多车辆制造商考虑将生产优先权从休闲车(RV)转换为轿车或紧凑型轿车。为此，有必要减少燃料电池堆栈的体积，还有也减少金属双极板的厚度和GDL的厚度。参考图1，根据现有技术的金属双极板具有在其中形成的通道并且经由该通道向GDL提供燃料和氧气。然而，近来已被开发并且应用到空气电极的多孔双极板b分配空气，产生由于其三维结构所致的空气湍流，且向整个GDL提供空气。关于现有技术的双极板，GDL和双极板彼此表面接触。然而，在多孔双极板的情况下，GDL和多孔双极板彼此点或线接触。因此，与具有沟槽的金属双极板的情况相比，当堆叠多孔双极板时向GDL施加的压力高得多。因此，应用于车辆的GDL需要具有高的机械强度和减少的厚度。此外，当PEMFC被驱动时，PEMFC的堆栈由于温度变化或反应条件而收缩或膨胀。因而，在每个堆栈中向组分施加的压力变化，并且垫圈和GDL用作用于缓冲压力的弹簧。大多数GDL在受到压力变形后仅恢复一点或极少恢复。然而，因为垫圈自身不作为弹簧起作用，所以预期GDL具有弹簧的机械特征。大多数碳纸型GDL通过在湿法毡工艺中对碳纤维进行造纸而制备，因此，一般具有包括不规则布置的碳纤维的各向同性结构。然而，具有此类各向同性结构的GDL在任意表面具有相同的结构，因此，当向具有沟槽的双极板结构中的直接接触GDL的表面施加力时，可使碳纤维破裂并压缩。因此，可使GDL侵入到双极板中的沟槽或流场中，即，侵入发生。因此，减少空气或燃料移动所通过的空隙。这种侵入导致双极板中的流场的压降并且还增加泵的功耗。同样，由于在GDL与流场之间的界面破裂的碳纤维所致的GDL结构的塌陷使GDL的耐久性劣化还有反应性气体减少或所产生的水转移。
技术实现思路
一个或多个实施方式包括用于气体扩散层的碳基材，当燃料电池耦合时所述碳基材具有改善的弹性和对产生的压力的耐性。一个或多个实施方式包括用于燃料电池的气体扩散层的碳基材，由此在金属双极板中气体扩散层到流场的侵入得以改善。一个或多个实施方式包括用于气体扩散层的碳基材，所述碳基材能够有效改善氧气和氢气从多孔双极板到电极层的转移。一个或多个实施方式包括用于气体扩散层的碳基材，所述碳基材具有能够有效耗尽从空气电极到多孔双极板的水的结构。一个或多个实施方式包括用于燃料电池的气体扩散层，所述气体扩散层包括用于燃料电池的气体扩散层的碳基材。一个或多个实施方式包括膜电极组件，所述膜电极组件由于在燃料电池中包含气体扩散层而具有改善的电池性能。一个或多个实施方式包括燃料电池，所述燃料电池具有燃料电池中的气体扩散层，由此具有改善的电池性能。另外的方面将在下面的说明中部分列出并且部分会因说明显而易见，或可通过实施本专利技术实施方式而了解。根据一个或多个实施方式，用于燃料电池的气体扩散层的碳基材，所述碳基材包括其中两个至八个单元碳基材堆叠的结构，其中每个所述单元碳基材是具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的板型基材，每个所述单元碳基材包含形成无纺碳衬层的碳纤维和布置在所述碳纤维之间且键合所述碳纤维的碳化聚合物，其中a)在每个所述单元碳基材中以纵向(MD)布置的碳纤维的数量大于在每个所述单元碳基材中以横向(TD)布置的碳纤维的数量，所述碳纤维在每个所述单元碳基材的所述第一表面上和每个所述单元碳基材的厚度方向上从所述第一表面到所述第二表面随机布置，以每个所述单元碳基材的纵向布置的所述碳纤维的数量变得大于以每个所述单元碳基材的横向布置的所述碳纤维的数量，因此，在纵向(MD)上的取向从所述第一表面到所述第二表面增加，或者b)以每个所述单元碳基材的纵向布置的碳纤维的数量大于以每个所述单元碳基材的横向布置的碳纤维的数量，以使每个所述单元碳基材具有在所述纵向上的取向，在每个所述单元碳基材的纵向上的取向沿着每个所述单元碳基材的厚度方向从所述第一表面到所述第二表面恒定，并且所述单元碳基材彼此堆叠以使两个相邻单元碳基材的所述纵向彼此垂直。在a)中，在所述第二表面上以所述纵向布置的碳纤维的数量与以所述横向布置的碳纤维的数量的比率(MD/TD)优选为1.5至4.0。在a)中，所述单元碳基材可彼此堆叠以使两个相邻单元碳基材中的一个的所述第一表面接触所述两个相邻单元碳基材中的另一个的所述第二表面在a)中，所述单元碳基材可彼此堆叠以使两个相邻单元碳基材的所述第一表面或第二表面可彼此接触。所述单元碳基材可彼此堆叠以使所述单元碳基材的所述纵向彼此平行。所述单元碳基材可彼此堆叠以使所述单元碳基材的所述纵向彼此垂直。在b)中，以所述纵向布置的碳纤维的数量与以所述横向布置的碳纤维的数量的比率(MD/TD)可为1.5至4.0。在b)中，所述碳纤维包含具有不同长度的两种或更多种类型的碳纤维，所述两种或更多种类型的碳纤维包含第一碳纤维和第二碳纤维，所述第二碳纤维的长度可比所述第一碳纤维的长度长，在所述单元碳基材的所述厚度方向上可向所述第一表面布置的所述第一碳纤维多于所述第二碳纤维，而可向所述第二表面布置的所述第二碳纤维多于所述第一碳纤维，并且可示出孔径梯度以使孔的大小在每个所述单元碳基材的所述厚度上从所述第一表面到所述第二表面逐渐增加。专利技术效果根据一个或多个实施方式，控制机械强度，具体为，碳纤维在碳基材的纵向MD上的取向，以使碳基材的弯曲强度得以改善。因此，可以减少气体扩散层到金属双极板的流场的侵入，即，浸润。同样，因为根据一个或多个实施方式的碳基材是抗压的，其弹簧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于燃料电池的气体扩散层的碳基材，所述碳基材包含其中两个至八个单元碳基材堆叠的结构，其中每个所述单元碳基材是具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的板型基材，每个所述单元碳基材包含形成无纺碳衬层的碳纤维和布置在所述碳纤维之间且键合所述碳纤维的碳化有机聚合物，其中a)在每个所述单元碳基材中以纵向(MD)布置的碳纤维的数量大于在每个所述单元碳基材中以横向(TD)布置的碳纤维的数量，所述碳纤维在每个所述单元碳基材的所述第一表面上和在每个所述单元碳基材的厚度方向上从所述第一表面到所述第二表面随机布置，以每个所述单元碳基材的纵向布置的碳纤维的数量变得大于以每个所述单元碳基材的横向布置的碳纤维的数量，因此，形成取向梯度以使在所述纵向上的取向从所述第一表面到所述第二表面增加，或者b)以每个所述单元碳基材的纵向布置的碳纤维的数量大于以每个所述单元碳基材的横向布置的碳纤维的数量，以使每个所述单元碳基材具有在所述纵向上的取向，在每个所述单元碳基材的纵向上的取向沿着每个所述单元碳基材的厚度方向从所述第一表面到所述第二表面恒定，并且所述单元碳基材彼此堆叠以使两个相邻单元碳基材的所述纵向彼此垂直。

【技术特征摘要】
2016.04.15 KR 10-2016-00465001.一种用于燃料电池的气体扩散层的碳基材，所述碳基材包含其中两个至八个单元碳基材堆叠的结构，其中每个所述单元碳基材是具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的板型基材，每个所述单元碳基材包含形成无纺碳衬层的碳纤维和布置在所述碳纤维之间且键合所述碳纤维的碳化有机聚合物，其中a)在每个所述单元碳基材中以纵向(MD)布置的碳纤维的数量大于在每个所述单元碳基材中以横向(TD)布置的碳纤维的数量，所述碳纤维在每个所述单元碳基材的所述第一表面上和在每个所述单元碳基材的厚度方向上从所述第一表面到所述第二表面随机布置，以每个所述单元碳基材的纵向布置的碳纤维的数量变得大于以每个所述单元碳基材的横向布置的碳纤维的数量，因此，形成取向梯度以使在所述纵向上的取向从所述第一表面到所述第二表面增加，或者b)以每个所述单元碳基材的纵向布置的碳纤维的数量大于以每个所述单元碳基材的横向布置的碳纤维的数量，以使每个所述单元碳基材具有在所述纵向上的取向，在每个所述单元碳基材的纵向上的取向沿着每个所述单元碳基材的厚度方向从所述第一表面到所述第二表面恒定，并且所述单元碳基材彼此堆叠以使两个相邻单元碳基材的所述纵向彼此垂直。2.如权利要求1所述的碳基材，其中在a)中，在所述第二表面上以所述纵向布置的碳纤维的数量与以所述横向布置的碳纤维的数量的比率(MD/TD)为1....

【专利技术属性】
技术研发人员：李恩淑，金恩聪，金太亨，梁民知，郑芝英，金太年，张相煜，
申请(专利权)人：JNTG有限公司，
类型：发明
国别省市：韩国,KR