具有增强结构的微孔材料部件及其制备方法、膜电极及燃料电池技术

本发明专利技术公开了一种具有增强结构的微孔材料部件，所述微孔材料部件含有碳纤维增强层，所述碳纤维增强层由碳纤维制成的无纺织物制备。采用该气体扩散层结构制备出的膜电极以及装配成的燃料电池电堆，其气体传输阻力降低，能降低传质极化，提高系统的功率密度。本发明专利技术还公开了相关的制备方法、膜电极组件以及燃料电池。电池。电池。

【技术实现步骤摘要】
具有增强结构的微孔材料部件及其制备方法、膜电极及燃料电池


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，更具体的说，涉及燃料电池所使用的微孔材料部件和包含该微孔材料部件的膜电极、以及制备的燃料电池。

技术介绍

[0002]燃料电池以启动方便、高能量密度、零排放、能量转化效率高的特点成为现在及未来电源系统的重要发展方向。同时燃料电池使用的氢气来源广泛，以太阳能发电，风电，潮汐发电等得到的电能通过电解水制备出的氢气，是全流程无污染的“绿氢”，是发展储能的一种途径也能降低二氧化碳排放。
[0003]从燃料电池电堆组装的结构来看，电堆反应需要的氢气和空气(或氧气)经过双极板流道传输到气体扩散层基底层表面，通过浓差扩散或者努森扩散将其传输到催化层进行反应，同时通过浓差扩散或毛细效应等将催化层产生或囤积的液态水传递回双极板流场流道中。
[0004]但是目前的燃料电池气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，其中微孔层主要由导电剂，如乙炔黑、炭黑和疏水剂，如聚四氟乙烯组成，如新源动力股份有限公司提交的第CN 110797540A号中国专利申请，将高导电性材料、碳纳米管、亲水剂和分散液通过搅拌的方式配制成成分均匀的浆料；其中，碳纳米管采用VGCF
‑
H；通过丝网印刷的方式将浆料均匀的分布在支撑材料上。或者如通用汽车环球科技运作公司提交的第CN101662031A号中国专利申请，涉及具有较低的气体扩散系数的气体扩散层，尤其涉及用于燃料电池中的气体扩散层，其包括气体可渗透的扩散结构和微孔层。该微孔层包括多个各向异性形状的颗粒，同时降低了该微孔层的孔隙率并提高了用于传送通过该微孔层的气体传送的曲折率。以上专利所用的微孔层浆料，在涂敷时，浆料会渗入气体扩散层基底层，制备出的气体扩散层被用于燃料电池的情况下，具有在该浆料渗入部分的孔隙率降低，容易积存水，产生传质极化现象。丰田自动车株式会社申请的第CN104769760B号中国专利提供了一种用于形成多孔质层的多孔质层部件的制造方法，具备：通过对包含碳和疏水性树脂的混合液进行喷雾干燥，得到包含碳和疏水性树脂的粉体的工序；生成包含粉体的糊的工序；以及通过对糊进行挤出或轧制，得到片状的多孔质层部件的工序。该方法制备出的多孔质层只有疏水剂和导电剂结构，靠质量百分比40％的疏水剂聚四氟乙烯起到连接作用，结构强度低，容易破损。且较高的疏水剂含量会导致多孔质层导电性能降低，孔隙率下降，不利于气体传输。第CN 114256475A号中国专利申请公开了一种燃料电池气体扩散层的基底层，所述基底层中碳纤维分布方向与x轴夹角a为
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45
°
≤a<45
°
范围内的纤维数量较a为45
°
≤a<135
°
范围内纤维数量多5％及以上。采用该气体扩散层结构制备出的膜电极以及装配成的燃料电池电堆，其双极板脊下传质极化现象降低，提高膜电极的有效活性面积，提高系统的功率密度。但是在实际燃料电池工作中，水是在阴极侧催化层反应生成的，首先要通过与其直接接触的气体扩散层微孔层才能到达气体扩散层基底层，同时，阳极侧的水也要穿过微孔层才能到达基底
层。该申请只强调基底层纤维分布有取向，并不能解决微孔层内的水管理问题，同时基底层在涂敷微孔层时存在侵入基底层情况，也会严重影响传质性能。

技术实现思路

[0005]因此本申请的目的之一是提供一种新型的微孔材料部件，其能够抑制目前燃料电池用气体扩散层制备中微孔层浆料渗透浸入基底层，导致的孔隙率降低，从而导致气体扩散层的排水性和气体扩散性的降低的缺点。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种具有增强结构的微孔材料部件，
[0007]在一些实施例中，本申请提供了一种具有增强结构的微孔材料部件，其包括碳纤维增强层，其中，所述碳纤维增强层由碳纤维制成的无纺织物层形成并由疏水剂熔融后冷却形成的连续网络结构而固定，以形成具有纳米微孔的结构，所述疏水剂通过向所述无纺织物层的表面施加至少包括疏水剂的浆料而渗透进入所述无纺织物层。
[0008]在一些实施例中，根据压汞法表征得到所述纳米微孔的第一最可几孔径为125nm，第二最可几孔径为15nm。
[0009]在一些实施例中，所述碳纤维增强层中分布方向为与微孔材料部件的第一方向的夹角在
‑
45
°
至45
°
范围内的碳纤维数量比与微孔材料部件的第一方向的夹角为45
°
至135
°
范围内碳纤维数量多20％及以上。
[0010]在一些实施例中，所述疏水剂为包括但不限于聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、氟化乙烯丙烯中的一种或几种，疏水剂所占气体扩散层微孔层整体总重量的百分比为1％～50％，优选20％～39％。
[0011]在一些实施例中，所述浆料还包括导电剂，所述导电剂被所述疏水剂的连续网络结构固定于所述无纺织物层。
[0012]在一些实施例中，所述导电剂包含但不限于碳黑、乙炔黑、科琴黑、 SUPER P、碳纳米管、石墨烯、Vulcan XC 72、Black pearls中的一种或几种。
[0013]在一些实施例中，所述微孔材料部件的厚度为10μm～850μm。
[0014]本申请的另一些实施例提供了上述任一项所述的具有增强结构的微孔材料部件的制备方法，其包括步骤：制备有取向分布的碳纤维增强层；制备至少包括疏水剂的浆料；将制备得到的所述碳纤维增强层置于聚四氟乙烯背膜上，浆料施加在碳纤维增强层的表面且所述浆料渗透进碳纤维无纺织物层中；在50℃～250℃温度干燥至疏水剂至少将碳纤维固定住；以及从背膜剥离后置于250℃～390℃温度处理10～100分钟使得疏水剂熔融形成连续网络结构。
[0015]在一些实施例中，所述方法还包括在所述浆料中加入导电剂。
[0016]在一些实施例中，所述方法还包括在所述浆料中加入自由基猝灭剂。
[0017]在一些实施例中，所述方法采用狭缝涂敷、滚涂、直涂、刮涂、丝网印刷等方式中的一种或几种将所述包含疏水剂、和/或导电剂、和/或自由基猝灭剂的所述浆料施加在碳纤维增强层的表面且所述浆料渗透进碳纤维无纺织物层中。
[0018]在一些实施例中，所述方法所述制备碳纤维增强层包括：将碳纤维丝束在清洗溶剂中漂洗或进行石墨化处理；将经过处理的碳纤维进行短切形成短碳纤维，并用空气吹散，防止粘连；将得到的短碳纤维在铺网机内沉降，沉降过程中施加横向气流吹拂所述短碳纤
维，引导短碳纤维有取向分布，在沉降后得到无纺织物，并均匀喷涂粘结剂。
[0019]在一些实施例中，所述方法所述制备导电疏水浆料包括将导电剂、疏水剂、去离子水、醇类溶剂、分散剂、造孔剂、稳定剂、自由基猝灭剂在分散机械设备中混合均匀，稳定。
[0020]在一些实施例中，所述短切得到长度为3mm～100mm的短碳纤维。
[0021]本申请的又一些实施例提供了一种膜电极组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有增强结构的微孔材料部件，其特征在于：所述微孔材料部件包括碳纤维增强层，其中，所述碳纤维增强层由碳纤维制成的无纺织物层形成并由疏水剂熔融后冷却形成的连续网络结构而固定，以形成具有纳米微孔的结构，所述疏水剂通过向所述无纺织物层的表面施加至少包括疏水剂的浆料而渗透进入所述无纺织物层。2.根据权利要求1所述的具有增强结构的微孔材料部件，其特征在于：根据压汞法表征得到所述纳米微孔的第一最可几孔径为125nm，第二最可几孔径为15nm。3.根据权利要求1所述的具有增强结构的微孔材料部件，其特征在于：所述碳纤维增强层中分布方向为与微孔材料部件的第一方向的夹角在
‑
45
°
至45
°
范围内的碳纤维数量比与微孔材料部件的第一方向的夹角为45
°
至135
°
范围内碳纤维数量多20％及以上。4.根据权利要求1所述的具有增强结构的微孔材料部件，其特征在于：所述疏水剂为包括但不限于聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、氟化乙烯丙烯中的一种或几种，疏水剂所占气体扩散层微孔层整体总重量的百分比为1％～50％，优选20％～39％。5.根据权利要求1所述的具有增强结构的微孔材料部件，其特征在于：所述浆料还包括导电剂，所述导电剂被所述疏水剂的连续网络结构固定于所述无纺织物层。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：王晋，贺晓蕊，
申请(专利权)人：上海嘉资新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：