燃料电池气体扩散层用碳纸及其制作方法、燃料电池气体扩散层及质子膜燃料电池技术

本发明专利技术提供了一种燃料电池气体扩散层用碳纸及其制作方法、燃料电池气体扩散层及质子膜燃料电池。该制作方法包括对碳毡浸渍、烘干后形成的预处理碳毡进行热压的步骤，其包括：提供模具，模具由下至上依次包括容纳板及盖板，容纳板及盖板均为钢板，容纳板包括基板以及位于基板的靠近盖板一侧的围挡框，围挡框的中空部具有与预处理碳毡相适应的形状；将预处理碳毡放置于围挡框中，盖上盖板，然后将模具置于平板热压机的上极板和下极板之间，热压后，得到碳纸。本发明专利技术有效解决了现有技术中燃料电池气体扩散层用碳纸厚度一致性差的问题。料电池气体扩散层用碳纸厚度一致性差的问题。料电池气体扩散层用碳纸厚度一致性差的问题。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池气体扩散层用碳纸及其制作方法、燃料电池气体扩散层及质子膜燃料电池


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，具体而言，涉及一种燃料电池气体扩散层用碳纸及其制作方法、燃料电池气体扩散层及质子膜燃料电池。

技术介绍

[0002]膜电极是燃料电池的核心部件，是电化学内部发生电化学反应的场所，其由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。由燃料电池用碳纸经过疏水处理后在其一侧涂覆微孔层浆料制成的碳纸/微孔层组件，被称为燃料电池气体扩散层，简称GDL。GDL在质子交换膜燃料电池中主要起到支撑催化层，收集电流，传导气体以及排出反应产物水的作用。由于GDL在整个膜电极结构中承担着重要的气液传输功能，GDL各项参数的一致性就显得十分重要，且GDL的一致性也间接影响着电池性能和使用寿命。
[0003]目前，GDL用碳纸的制备流程主要包括短切碳纤维的抄造形成碳毡前驱体，树脂浸渍，干燥，热压以及高温碳化过程。其中热压过程的目的一是能够使附着在碳毡表面和内部的树脂固化，均匀分布；二是根据需要控制碳纸的厚度。常规的间歇式热压方法受制于热压设备的精度以及压力与碳纸厚度模糊的对应关系，无法保证在厚度方面很高程度的均一性，同时在控制碳纸厚度的稳定性方面同样存在问题。
[0004]在前驱体碳毡材料一致，浸渍过程均匀，高温碳化过程稳定的前提下，热压过程对于碳纸成品的一致性有着决定性作用。作为燃料电池气体扩散层，它在厚度上的一致性一定程度上影响着其整体的孔隙结构与分布，进而影响着气液传输质量与效率；同时GDL厚度的一致性影响着电池的电导特性，厚度分布上极大的偏差会造成整体电阻的偏大，特别是气体扩散层与双极板之间的接触电阻偏大，在电流传输中产生更多的热量损耗。这两个方面的影响最终可能导致电池性能较差。为了保证GDL用碳纸的性能，减少碳纸均一性问题对电池性能产生的负面影响，需对碳纸热压固化阶段的工艺进行改进，提升碳纸厚度的一致性，保证碳纸厚度的稳定性。
[0005]公开号为CN 110181831 A的专利技术专利公开了一种利用激光对碳纸进行固化的方法，该方法采用钇铝石榴石晶体(YAG)或二氧化碳(CO2)激光器对浸渍树脂并烘干后的碳纸进行两面照射，以高能量的激光面扫达到树脂固化的目的。然而，该方法中用于碳纸制作的前驱配体一致性要求极高，但固化阶段不涉及任何压力施加，没有针对厚度控制的外部条件，厚度参数及一致性基本依赖于碳纸胚体；同时，在树脂浸渍和干燥后碳纸胚体一般会发生膨胀效应，在固化阶段没有压力的条件下，厚度变得更加难以控制。
[0006]公开号为CN 110512459 A的专利技术专利公开了一种间歇式的热压方法，该方法采用直接将浸渍干燥后的碳纸放置在平板硫化机上进行热压的思路，通过设定固定的温度、压力和时间来控制最终的碳纸厚度。然而，平板硫化机的两极板平行度一般较差，直接进行热压不易控制厚度精度；且碳纸对于压力较为敏感，相同热压参数条件下，厚度的一致性十分依赖于浸渍干燥环节后的碳纸状态，以其公开的方法很难达到厚度的稳定性。
[0007]公开号为CN 101277912 A专利技术专利公开了一种间歇式的碳纸热压方法，该方法采用在热压机两侧放置间隔体的方法来控制热压过程碳纸的厚度，通过间隔体的阻挡作用，使压机上下两极板之间保持恒定距离，达到目标要求。然而，该间隔体需要很薄，且只在热压机的两端放置，这对热压机本身的平行度有很高的要求，专利中所述需求碳纸厚度为100～250μm，在没有且远离间隔体的热压机部分，平行度难以保证，以当前市面上大面积热压机的平行度会对最终的碳纸后的产生较大影响。
[0008]基于以上原因，有必要提供一种新的碳纸热压工艺，以更有效地改善碳纸的厚度一致性。

技术实现思路

[0009]本专利技术的主要目的在于提供一种燃料电池气体扩散层用碳纸及其制作方法、燃料电池气体扩散层及质子膜燃料电池，以解决现有技术中燃料电池气体扩散层用碳纸厚度一致性差的问题。
[0010]为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种燃料电池气体扩散层用碳纸的制作方法，包括对碳毡浸渍、烘干后形成的预处理碳毡进行热压的步骤，其包括以下步骤：提供模具，模具由下至上依次包括容纳板及盖板，容纳板及盖板均为钢板，容纳板包括基板以及位于基板的靠近盖板一侧的围挡框，围挡框的中空部具有与预处理碳毡相适应的形状；将预处理碳毡放置于围挡框中，盖上盖板，然后将模具置于平板热压机的上极板和下极板之间，热压后，得到碳纸。
[0011]进一步地，容纳板中，基板和围挡框为分体结构，且基板、围挡框及盖板均为手撕钢片；优选地，围挡框包括一层或依次叠置的多层，且每层围挡框均为手撕钢片。
[0012]进一步地，制作方法还包括：采用激光切割的方式将手撕钢片进行切割，以分别形成基板、围挡框及盖板。
[0013]进一步地，容纳板中，基板和围挡框为一体结构，容纳板的靠近盖板一侧的表面具有凹槽，凹槽即为中空部，容纳板中位于凹槽底部以下的部分即为基板，位于凹槽底部以上的部分即为围挡框；优选地，制作方法还包括：提供一完整钢板，采用激光切割的方式在完整钢板的靠近盖板的一侧切割形成凹槽，进而形成容纳板。
[0014]进一步地，围挡框的厚度为150～250μm；优选地，预处理碳毡的厚度大于围挡框的厚度。
[0015]进一步地，容纳板及盖板的表面粗糙度Ra＜0.25μm；优选地，容纳板及盖板的模量分别为10～20GPa。
[0016]进一步地，热压过程中，热压温度为100～300℃，压力为0.1～4.5MPa，热压时间为5～20min。
[0017]根据本专利技术的另一方面，还提供了一种燃料电池气体扩散层用碳纸，其由上述制作方法制作而成。
[0018]根据本专利技术的另一方面，还提供了一种燃料电池气体扩散层，包括碳纸和位于碳纸一侧表面的微孔层，其为上述燃料电池气体扩散层用碳纸。
[0019]根据本专利技术的另一方面，还提供了一种质子膜燃料电池，包括气体扩散层，其中气体扩散层为燃料电池气体扩散层。
[0020]采用本专利技术提供的制作方法，在原有的直接在平板热压机上进行热压的方法基础上，引入高模量的具有一定目标厚度的钢材质模具，借用钢板较高的厚度一致性、较优的表面粗糙度以及耐高压不易变形等特点，使其在热压过程给予一定的应力支撑作用，进而使热压后的碳纸被控制在与围挡框一致的厚度水平，同时厚度的一致性也能由钢板的高平整度而得到控制。
附图说明
[0021]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0022]图1示出了根据本专利技术一种实施例中碳纸热压过程所用模具的结构示意图；以及
[0023]图2示出了根据本专利技术另一种实施例中碳纸热压过程所用模具的结构示意图。
具体实施方式
[0024]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池气体扩散层用碳纸的制作方法，包括对碳毡浸渍、烘干后形成的预处理碳毡进行热压的步骤，其特征在于，包括以下步骤：提供模具，所述模具由下至上依次包括容纳板及盖板，所述容纳板及所述盖板均为钢板，所述容纳板包括基板以及位于所述基板的靠近所述盖板一侧的围挡框，所述围挡框的中空部具有与所述预处理碳毡相适应的形状；将所述预处理碳毡放置于所述围挡框中，盖上所述盖板，然后将所述模具置于平板热压机的上极板和下极板之间，热压后，得到所述碳纸。2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述容纳板中，所述基板和所述围挡框为分体结构，且所述基板、所述围挡框及所述盖板均为手撕钢片；优选地，所述围挡框包括一层或依次叠置的多层，且每层所述围挡框均为所述手撕钢片。3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：采用激光切割的方式将所述手撕钢片进行切割，以分别形成所述基板、所述围挡框及所述盖板。4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述容纳板中，所述基板和所述围挡框为一体结构，所述容纳板的靠近所述盖板一侧的表面具有凹槽，所述凹槽即为所述中空部，所述容纳板中位于所述凹槽底部以下的...

【专利技术属性】
技术研发人员：史锐，乔伟静，娄益玮，敖静，周明正，
申请(专利权)人：国家电投集团氢能科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：