一种具有流道的气体扩散层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种气体扩散层，具体涉及一种具有流道的气体扩散层及其制备方法，属于燃料电池材料制备技术领域。

背景技术

气体扩散层是质子交换膜燃料电池中的重要组件，起到支撑催化剂层并提供反应气体和生成水的通道，同时还要具备比较良好的导电性能及在电化学反应下的抗腐蚀能力。因此气体扩散层材料的性能直接影响着电化学反应的进行和电池的工作效率。选用高性能的气体扩散层材料，有利于改善膜电极的综合性能。目前国内外最常用的是炭纸扩散层。炭纤维纸是一种以炭纤维为基体，树脂为粘结剂的多孔复合材料。通过在扩散层上制备流道，可以去掉双极板上的流道，使用光面的双极板，从而减少双极板的加工难度和加工成本，同时可以进一步降低双极板的厚度，提高电池的功率密度。如中国专利CN109768298B中提到了可以通过模压法在扩散层中制备流道，但是并未公开其具体制备工艺。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的是在于提供了一种导电性能、力学性能和透气性能均满足燃料电池应用要求的高性能气体扩散层，该气体扩散层通过设计流道结构可以更有效地将气体均匀地分散，提高气体扩散传输的效率，同时可以将反应产生的水及时的排除，具有流道的气体扩散层能够替代在双极板上通过雕刻或压制流道的传统方案，实现了双极板减薄，简化双极板加工工艺，节约成本。

本发明的第二个目的是在于提供了一种具有流道的气体扩散层的制备方法，该制备方法通过模压工艺在炭纸坯体上压制流道，相对在双极板上雕刻或压制流道，在炭纸上压制流道的工艺更加简单，可以大幅度降低成本，且能够批量化地生产具有流道结构的扩散层，且制备的扩散层导电性能、力学性能和透气性能均满足燃料电池应用要求。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种具有流道的气体扩散层的制备方法，其包括以下步骤：

1）将炭纤维纸A和炭纤维纸B均置于树脂溶液中浸渍后，烘干，将炭纤维纸A经过模压压制在其一表面形成流道后，再将炭纤维纸B热压贴合到炭纤维纸A没有流道的表面并模压固化，得到炭纤维纸前驱体；所述炭纤维纸A的面密度大于炭纤维纸B的面密度；

2）将炭纤维纸前驱体依次进行炭化处理和石墨化处理，即得。

本发明技术方案关键在于选择两种不同面密度的炭纤维纸来搭配制备炭纤维纸前驱体，在高面密度的炭纤维纸表面压制流道后再与低面密度的炭纤维纸贴合，选择高面密度炭纤维纸来压制流道，主要是利用了高面密度的炭纤维纸厚度相对较高，进行压制后，可以满足流道槽的深度要求，而面密度较低的炭纤维纸无法形成足够深的流道，但是炭纤维纸表面压制流道后，其没有流道一面也会出现凹槽，这使其无法同双极板很好地结合到一起，会提高其接触电阻，同时压痕处强度较低，力学性能较差，本发明技术方案采用没有压制流道的炭纤维纸与其非流道的一表面进行贴合，从而可以形成平整的光面来改善其与极板的结合效果，但是若继续选择高面密度碳纸，两者贴合后得到的炭纤维纸前驱体厚度过大，影响成品的透气性能，从而选择面密度较低的炭纤维纸来进行贴合，不但可以改善力学性能，而且可以改善透气性，同时使其与极板的接触面平整光滑，提高其与极板的结合效果。

作为一个优选的方案，所述炭纤维纸A的面密度为30~60g/m

作为一个优选的方案，所述炭纤维纸B的面密度为10~30g/m

作为一个优选的方案，将炭纤维纸A和炭纤维纸B均置于浓度为0.1~5g/mL的树脂溶液中浸渍10~ 20min。所述树脂可以选择酚醛树脂和/或环氧树脂，最优选为酚醛树脂。酚醛树脂和环氧树脂均为常见的商品化热固树脂。

作为一个优选的方案，所述模压压制的条件：温度为100~180℃，压力为1~5MPa。在优选的温度和压力条件下进行模压压制过程，借助树脂的固化过程来实现炭纤维纸上流道的成型。更优选的模压压制的条件：先在温度为100~140℃，压力为1~5MPa，条件下压制10~30min，再在温度为140~180℃，压力为1~5MPa，条件下压制10~30min。

作为一个优选的方案，所述模压固化的条件：温度为100~180℃，压力为1~5MPa。在优选的温度和压力条件下进行模压固化过程，借助树脂的固化过程来实现两层炭纤维纸的贴合。更优选的模压固化的条件：先在温度为100~140℃，压力为1~5MPa，条件下压制10~30min，再在温度为140~180℃，压力为1~5MPa，条件下压制10~30min。

作为一个优选的方案，所述炭纤维纸前驱体的树脂含量为40wt％~80wt％；进一步优选为45 wt%~55wt%。树脂含量过高会导致模压过程粘模，同时热处理后碳纸的电阻会增大，透气性能会降低，含量过低会导致成品炭纸的强度较低。

作为一个优选的方案，所述炭化处理的温度为800~1000℃，时间为0.5~2h。通过炭化过程使得树脂原位热解生成热解碳能够提高炭纤维纸的力学性能。

作为一个优选的方案，所述石墨化处理的温度为2000~2500℃，时间为0.5~2h。通过石墨化过程使得热解炭形成结晶度高的石墨化炭，大大提高导电性。

本发明还提供了一种具有流道的气体扩散层，其由所述的制备方法得到。

作为一个优选的方案，具有流道的气体扩散层厚度为0.3~0.6mm，流道槽深0.1~0.3mm。具有流道的气体扩散层厚度进一步优选为0.5~0.6mm，流道槽深进一步优选为0.2~0.3mm。

本发明提供的具有流道的气体扩散层的具体制备工艺步骤如下：

(1)浸渍-固化

将面密度分别为10~30g/m

(2)热处理

将步骤(1)中获得的炭纤维纸前驱体先在800~1000℃间进行炭化处理，并在此温度保温0.5~2h；然后在2000~2500℃温度间进行石墨化处理，并在此温度下保温0.5~2h，获得具有流道的炭纤维纸；所述炭纤维纸的厚度为0.3~0.6mm，流道槽深0.1~0.3mm。

本发明涉及的加热固化过程采用平板硫化机进行。

本发明涉及的炭纤维纸中单根炭纤维的长度为4~30mm。

本发明涉及的炭纤维纸的密度为0.30~1g/cm

相对现有技术，本发明技术方案带来的有益技术效果：

现有技术中，一般在氢燃料电池关键组件双极板上设计流道，其作用是为反应物提供通道，而一个双极板需要有水道和气道，这就使得双极板的厚度无法做到很薄。而本发明技术方案将气体流道设计在气体扩散层上，在实现高气体扩散层的传质效率的同时还能减少双极板的厚度，降低燃料电池的总体重量，同时降低双极板的加工难度及成本。

本发明技术方案通过模压工艺在炭纤维纸上压制流道，并将双层炭纤维纸贴合，形成一面具有流道结构，另一面保持平整光滑的气体扩散层，该方法制备的具有流道的扩散层，不但力学性能优良，导电性好，且具有更好的传质效果，能够更有效地将气体均匀地分散，提高气体扩散传输的效率，同时可以将反应产生的水及时地排除。

本发明技术方案在炭纤维纸上压制流道可以使双极板上不需要再雕刻或压制流道，在炭纸上压制流道工艺更加简单，可以节约成本，还可以实现双极板的减薄。

附图说明

图1为具有流道的气体扩散层形貌图。

具体实施方式

下面结合几个具体实施例对本发明内容作进一步详细说明，而本发明权利要求的保护范围不受具体实施例限制。

以下实施例中涉及的原料如果没有特殊说明都是商品化原料，涉及的产品性能测试方法为行业内常规的方法。

实施例1:

(1)浸渍-固化

将两张面密度分别为50g/m

(2)热处理

将步骤(1)中获得的炭纤维纸前驱体先加热至900℃进行炭化处理，并在此温度保温1h；然后在加热至2500℃进行石墨化处理，并在此温度下保温1h，获得具有流道的炭纤维纸，所述炭纤维纸的厚度为0.52mm，流道槽深0.17mm。

所得炭纤维纸拉伸强度为59.8N/cm，面电阻率为1.76mΩ·cm，气透率为2682ml·mm·cm

实施例2

(1)浸渍-固化

将两张面密度分别为50g/m

(2)热处理

将步骤(1)中获得的炭纤维纸前驱体先加热至1000℃进行炭化处理，并在此温度保温1h；然后在加热至2600℃进行石墨化处理，并在此温度下保温1h，获得具有流道的炭纤维纸，所述炭纤维纸的厚度为0.58mm，流道槽深0.11mm。

所得炭纤维纸拉伸强度为55.6N/cm，面电阻率为1.92mΩ·cm，气透率为2724ml·mm·cm

实施例3:

(1)浸渍-固化

将两张面密度分别为40g/m

(2)热处理

将步骤(1)中获得的炭纤维纸前驱体先加热至800℃进行炭化处理，并在此温度保温1h；然后在加热至2500℃进行石墨化处理，并在此温度下保温1h，获得具有流道的炭纤维纸，所述炭纤维纸的厚度为0.49mm，流道槽深0.1mm。

所得炭纤维纸拉伸强度为54.6N/cm，面电阻率为2.32mΩ·cm，气透率为2853ml·mm·cm

实施例4:

(1)浸渍-固化

将两张面密度分别为50g/m

(2)热处理

将步骤(1)中获得的炭纤维纸前驱体先加热至900℃进行炭化处理，并在此温度保温1h；然后在加热至2500℃进行石墨化处理，并在此温度下保温1h，获得具有流道的炭纤维纸，所述炭纤维纸的厚度为0.48mm，流道槽深0.11mm。

所得炭纤维纸拉伸强度为61.3N/cm，面电阻率为2.86mΩ·cm，气透率为2537ml·mm·cm