【技术实现步骤摘要】
一种具有梯度化亲水或疏水性扩散层的制备方法
本专利技术属于质子交换膜燃料电池零部件加工
,特别涉及一种具有梯度化亲水/疏水性扩散层的制备方法。
技术介绍
随着社会经济的快速发展,能源需求不断增大和环境污染问题日益严峻,发展高效可靠、环境友好型绿色能源受到各国的重视。质子交换膜燃料电池因其高效、零排放、启动温度低和快速启动等优点已逐渐成为研究重点。气体扩散层(gasdiffusionlayer,GDL)是由孔隙结构较为松散的基质层和孔隙结构紧凑的微孔层(micro-porouslayer,MPL)构成。作为燃料电池最重要的部件之一,GDL不仅起着支撑催化层、稳定电极结构的作用,还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能。作为GDL的基质层,一般需要具备满足四个条件:1)优良的导电率;2)良好的透气性;3)适当的亲水/疏水性;4)好的机械强度。目前作为GDL基质层的材料主要有碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布、碳黑纸以及金属材料等。其中,碳纤维纸不仅具有均匀的多孔质薄层结构,而且由于主要原料使用石墨化碳纤维,使得它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性,是目前使用最为广泛的GDL基质层。碳纤维纸的常规制备工艺主要包括碳纤维浸胶、模压固化、炭化和石墨化等工序。作为GDL的微孔层,其主要作用是降低催化层和基质层之间的接触电阻,使气体和水发生再分配,防止电极催化层“水淹”,同时防止催化层在制备或燃料电池运行过程中渗透到基质层。因而,在保证微孔层导电率的前提下,对其进行亲水/疏水性处理是微孔层研 ...
【技术保护点】
1.一种具有梯度化亲水/疏水性扩散层的制备方法,其特征在于,所述梯度化亲水/疏水性扩散层的制备方法是一种不需炭化/石墨化的碳纤维纸的制备工艺,然后以所制备的碳纤维纸为基质层,在其表面制备梯度化的微孔层;其梯度化主要表现在横向亲水/疏水性的梯度化和纵向亲水/疏水性的梯度化;此外,在微孔层的制备过程中,额外添加一些可延长燃料电池寿命的辅助添加剂,延长了燃料电池的运行寿命;该梯度化亲水/疏水性扩散层的制备工艺如下:/n1)所述扩散层是以碳纤维纸为基质层;碳纤维纸由碳纤维长丝为原材料,利用纤维切断机将碳纤维短切,短切后的碳纤维丝长度9-16mm;/n2)将短切后的碳纤维丝置于机械搅拌器中,搅拌10-30s,使短切碳纤维丝处于解开状态,然后将解开的短切碳纤维丝一层一层地放置到热压模具里面,在每一层之间,加入酚醛树脂粉末和可膨胀石墨的混合物;酚醛树脂起支撑碳纤维丝的作用,可膨胀石墨用于增强碳纤维纸的导电率,同时改善碳纤维纸的孔隙及其大小孔隙的分布;填充量的多少及材料配比决定了最终成型碳纤维纸的厚度及各项参数性能;/n3)将填充好材料的热压模具置于热压机中热压成型,固化填料中的聚合物,达到成型并支撑 ...
【技术特征摘要】
1.一种具有梯度化亲水/疏水性扩散层的制备方法,其特征在于,所述梯度化亲水/疏水性扩散层的制备方法是一种不需炭化/石墨化的碳纤维纸的制备工艺,然后以所制备的碳纤维纸为基质层,在其表面制备梯度化的微孔层;其梯度化主要表现在横向亲水/疏水性的梯度化和纵向亲水/疏水性的梯度化;此外,在微孔层的制备过程中,额外添加一些可延长燃料电池寿命的辅助添加剂,延长了燃料电池的运行寿命;该梯度化亲水/疏水性扩散层的制备工艺如下:
1)所述扩散层是以碳纤维纸为基质层;碳纤维纸由碳纤维长丝为原材料,利用纤维切断机将碳纤维短切,短切后的碳纤维丝长度9-16mm;
2)将短切后的碳纤维丝置于机械搅拌器中,搅拌10-30s,使短切碳纤维丝处于解开状态,然后将解开的短切碳纤维丝一层一层地放置到热压模具里面,在每一层之间,加入酚醛树脂粉末和可膨胀石墨的混合物;酚醛树脂起支撑碳纤维丝的作用,可膨胀石墨用于增强碳纤维纸的导电率,同时改善碳纤维纸的孔隙及其大小孔隙的分布;填充量的多少及材料配比决定了最终成型碳纤维纸的厚度及各项参数性能;
3)将填充好材料的热压模具置于热压机中热压成型,固化填料中的聚合物,达到成型并支撑碳纤维丝的目的;其中热压温度180-240℃,热压压强150-250bar,热压时间60-90min;
4)完成热压后,保持压力,直到温度降至80℃±5℃,然后卸压并取出模具中成型的碳纤维纸;至此,完成扩散层基质层的碳纤维纸的制备;
5)用刀模治具将碳纤维纸裁剪成特定的尺寸,由于没有炭化和石墨化处理工艺,接下来在碳纤维纸上进行微孔层MPL处理工艺;
6)对裁剪成特定尺寸的碳纤维纸进行横纵向的亲水/疏水性处理。
2.根据权利要求1所述一种具有梯度化亲水/疏水性扩散层的制备方法,其特征在于,所述步骤2)中碳纤维,可膨胀石墨,酚醛数值粉末三者的配比范围为:(60-80wt%):(7-20wt%):(13-25wt%)。
3.根据权利要求1所述一种具有梯度化亲水/疏水性扩散层的制备方法,其特征在于,所述步骤5)在碳纤维纸上进行微孔层MPL处理工艺:在位于微孔层MPL下方的是一层特定尺寸的碳纤维纸,在碳纤维纸上表面进行亲水/疏水性处理。
4.根据权利要求1所述一种具有梯度化亲水/疏水性扩散层的制备方法,其特征在于,所述步骤6)在碳纤维纸进行横纵向的亲水/疏水性处理,其处理工艺:在碳纤维纸的纵向方向,做了三层梯度化的微孔层,每层亲水/疏水性的介质比例、多少不一;在碳纤维纸的横向方向,根据工况运行条件的需要,将碳纤维纸分为若干段,每一段的亲水/疏水性的介质比例、多少不一;将微孔层的制备工艺梯度化成亲疏水性不同的3*n个区域(n≥2),从最靠近碳纤维纸的一层往上,从碳纸的最左侧往右,分为区域A1、A2、……、An;B1、B2、……Bn;C1、C2、……Cn;每一个区域的微孔层制备工艺各不相同;具体包括:
1)微孔层的浆料制备工艺如下:...
【专利技术属性】
技术研发人员:雷一杰,王诚,王建龙,唐亚平,
申请(专利权)人:清华大学,
类型:发明
国别省市:北京;11
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