燃料电池、碳材复合结构与其制备方法技术

本发明专利技术提供了燃料电池、碳材复合结构与其制备方法。首先提供纳米高分子纤维网。接着热氧化纳米高分子纤维网，形成纳米氧纤网。叠合纳米氧纤网与微米氧纤网后，浸入树脂。氧化树脂后，再高温碳化纳米氧纤网、微米氧纤网与氧化的树脂，以制备碳材复合结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃料电池，特别是燃料电池中的气体扩散层及其制备方法。
技术介绍
请参照图1，燃料电池(fuel cell,以下简称FC)是由夹在两块触媒层13、气体扩散层 15、双极板 17 (bipolar plate)、集电板 18 (current collector)与端板 19 (endplate)之间的一个质子传导膜11所组成。质子传导膜11分隔的两边分别为阳极(氢气或重组气体或甲醇)与阴极(氧气或空气)。阳极进行氧化反应，阴极进行还原反应，当阳极的氢气(或甲醇)接触到阳极触媒13(—般为白金或白金合金)时，会解离成为质子及电子，其中电子会经由衔接阳极与阴极的电桥、与电桥串接的装置16，自阳极游往阴极，质子则直接自阳极穿越质子传导膜11到达阴极，特别强调的是此质子传导膜11为含湿性的薄膜，仅容许质子伴随水分子穿越，而其它气体分子均无法穿越。阴极端在触媒的作用下，经由电桥到达的电子与氧结合成氧离子，与穿越质子传导膜11的质子合成形成水分子，此即·电化学氧化与还原反应。应用电化学反应使质子交换膜燃料电池(PEMFC)或直接甲醇燃料电池(DMFC)发电系统具有效率高、无污染、反应快等特性，并可通过串联提高电桥电压或增加电极反应面积以提高电流量，特别是在源源不断的氧气(通常使用空气)供给下，可持续提供电力供给装置16的需求。在这样的特点下，燃料电池除了可作为小型系统电力，亦可设计成为大型电厂、分布式电力及可移动电力。大部分形成气体扩散层基板的方法为抄纸制造方法，包含形成碳纤维纸后浸入热塑性树脂，接着热压处理后再热碳化上述纸片，最后裁切成适当大小。在JP06-20710A、JP07-32362A及JP07-220735A中的燃料电池其气体扩散层的制备方法为碳化树脂黏合碳纤维。然而上述方法繁冗，增加生产成本并降低电池效能。
技术实现思路
本专利技术的一个实施例提供了一种碳材复合结构，包括纳米碳纤网层；以及微米碳纤网层，叠合至纳米碳纤网层上。本专利技术的另一个实施例提供了一种燃料电池，包括夹设于两端板间的质子传导膜；其中质子传导膜与端板之间依序为触媒层、气体扩散层、双极板以及集电板；其中气体扩散层包括上述的碳材复合结构。本专利技术的又一个实施例提供了一种碳材复合结构的制备方法，包括提供纳米高分子纤维网；热氧化纳米高分子纤维网，形成纳米氧纤网；叠合纳米氧纤网与微米氧纤网后，浸入树脂；氧化树脂；高温碳化纳米氧纤网、微米氧纤网与氧化的树脂，以形成碳材复合结构。附图说明图I是现有的燃料电池剖面图；以及图2是本专利技术的一个实施例中，碳材复合结构的SEM切面照片。主要组件符号说明11 质子传导膜；13 触媒层；15 气体扩散层；16 装置； 17 双极板；18 集电板；19 端板；20 碳材复合结构；21 纳米碳纤网；23 微米碳纤网。具体实施例方式本专利技术提供一种碳材复合结构的制备方法。首先，提供微米氧纤网。在本专利技术的一个实施例中，微米氧纤网可为市售的微米碳纤网如Toray-090或SGL-35EC高温氧化后的产物。在本专利技术的另一个实施例中，可取直径为微米等级的氧化碳纤维以针扎、抄纸或编织方式形成无纺布、抄纸或编织布，即微米氧纤网。在本专利技术的一个实施例中，可进一步薄化成型微米氧纤网，薄化成型的方式可以是热压薄化。接着将高分子如聚丙烯腈、浙青纤维或酚醛纤维溶于极性溶剂以形成高分子溶液。适用于溶解高分子的极性溶剂可为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙胺、二甲基亚砜，其浓度约介于5重量％至30重量％之间。接着纺丝上述高分子溶液形成多条纳米高分子纤维叠合(非交织)成网状，纤维直径介于100至SOOnm之间。纺丝法可为放电纺丝法或溶液喷丝法。放电纺丝法的施加电压为20至50kV，而溶液喷丝法的纺嘴气体压力介于l-5kg/cm2。越强的施加电压及纺嘴气体压力所形成的纳米纤维越细，而越低浓度的高分子溶液所形成的纳米纤维越细。热氧化上述纳米高分子纤维网，即形成纳米氧纤网。将纳米氧纤网与微米氧纤网叠合后，浸入树脂如酚醛树脂、环氧树脂或上述的组合，使两者黏合。若缺乏此浸入步骤，纳米氧纤网与微米氧纤网的叠合结构极易分开而降低电池效能。在一个实施例中，纳米氧纤网与微米氧纤网叠合后浸入酚醛树脂，接着进行氧化制造方法使酚醛树脂氧化，再将叠合结构置于氮气下进行高温碳化制造方法，使纳米氧纤网、微米氧纤网及氧化的酚醛树脂碳化，以完成碳材复合结构。上述碳化热源可为微波或高温炉。在本专利技术的另一个实施例中，可将纳米氧纤网直接叠合至市售的微米碳纤网，然后，浸入酚醛树脂。接着进行氧化制造方法使酚醛树脂氧化，最后将氧化后的叠合结构置于氮气下进行高温碳化制造方法，可形成双层的碳材复合结构。上述纳米高分子纤维网的热氧化制造方法，例如是在200°C至350°C，加热Ihr至4hr。上述酹醒树脂氧化制造方法,例如是在150°C至250°C,加热Ihr至4hr。上述碳材复合结构为纳米碳纤网与微米碳纤网叠合的双层结构。在本专利技术的一个实施例中，碳材复合结构中的纳米碳纤网层的纳米碳纤直径介于IOOnm至800nm之间，孔洞大小介于IOOnm至2. 5 μ m之间，且厚度介于10 μ m至100 μ m之间或30 μ m至80 μ m之间。若纳米碳纤直径过小，则热收缩速率过大，不易贴合。若纳米碳纤直径过大，则孔洞过大，无法阻挡甲醇通过。若纳米碳纤网的孔洞过小，则甲醇无法输送。若纳米碳纤网的孔洞过大，则无阻挡甲醇能力。若纳米碳纤网的厚度过小，则容易破损碎裂。若纳米碳纤网的厚度过大，则孔洞太小。在本专利技术的一个实施例中，微米碳纤网层中的微米碳纤直径介于2 μ m至10 μ m之间或2 μ m至8 μ m之间，孔洞大小介于3 μ m至12 μ m之间，且厚度介于100 μ m至600 μ m之间。微米碳纤网以3D结构成形，利用纤维间相互交错，串连纤维间的导电网络，使纤维的导电性大幅提升。在本专利技术的一个实施例中，纳米碳纤网与微米碳纤网叠合的双层结构，其厚度比约为I 10 10 60或2 6 25 35。上述碳材复合结构可作为图I所示的燃料电池的气体扩散层15。在图I中，质子 传导膜11夹在两块触媒层13、气体扩散层15、双极板17、集电板18 (current collector)与端板19 (end plate)之间。为了让本专利技术的上述及其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数个实施例，配合附图，作详细说明如下实施例实施例I制备微米碳纤网取直径介于6 μ m至7 μ m的氧化纤维(购自新纤(股)有限公司的氧化纤维)，以针扎方式形成厚度介于3mm的无纺布。上述无纺布的基底重300g/m2。将上述无纺布置于氮气下以10°C /分钟的加热速率升温至1500°C，使无纺布的氧化纤维碳化成微米碳纤网。上述微米碳纤网的表面电阻为299m Ω/cm2，体电阻率为7m Ω · cm，导电度为133S/cm，且耐压性为100kg/cm2,孔径分布为3-12 μ m。实施例2制备微米碳纤网取直径介于6μπι至7μπι的氧化纤维(购自新纤(股)有限公司的氧化纤维)，以针扎方式形成厚度介于3mm的无纺布。上述无纺布的基底重300g/m2。将上述无纺布热压薄化，形成较致密的无纺布，其厚度介于I. 5_。接着本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳材复合结构，包括：一纳米碳纤网层；以及一微米碳纤网层，叠合至该纳米碳纤网层上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈琬琡，韩姿娴，郑淑蕙，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：