[發明專利]聚合物電解質燃料電池氣體擴散層碳基材制備方法，其制備的碳基材及該碳基材制備系統

有效

• 申請號: 201110238245.4
• 申請日: 2011-05-20
• 公開（公告）號: CN102361090A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發明（設計）人: 李昌雨;李恩淑;鄭芝英;金到勳;陳用元;郭貞美;鄭榮煜
• 申請（專利權）人: 株式會社協進I&C
• 主分類號: H01M8/02
• 分類號: H01M8/02
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 任宗華

本申請要求于2010年5月20日向韓國知識產權局遞交的韓國專利申請NO.10-2010-0047663的權益，其公開內容全部作為參考引入到本文中。?

背景技術

1、發明的領域?

本發明涉及一種制備用于聚合物電解質型燃料電池氣體擴散層的碳基材的方法，該方法制備的碳基材，以及制備該碳基材的系統，更具體地，涉及一種通過使用氧化形態的碳前體短纖維和結合用聚合物短纖維來省去氧化處理過程，由此解決了碳基材產品的偏差和低加工性的問題，并經過多步驟輥壓固化過程，通過使用兩個或更多的壓輥單元以增強可加工性和保持碳基材的均一厚度而連續形成碳基材的制備用于PEFC氣體擴散層的碳基材的方法；涉及由此制備的碳基材；以及涉及制備該碳基材的系統。?

本發明由知識經濟部的課題所支持(項目編號：2008NFC12J0125002008，領導機構：Hyupjin?I&C，Co.，Ltd.，研究課題名稱：“氫燃料電池汽車用高性能、低成本氣體擴散層定位技術的開發”)。?

2、相關技術的描述?

燃料電池是通過燃料和氧氣的電化學反應來產生電能的電化學裝置，根據電池中所用電解質類型可以分為聚合物電解質膜(PEM)型，磷酸型，熔融碳酸鹽型，固體氧化物型和堿性水溶液型。?

在各種類型的燃料電池中，聚合物電解質燃料電池(PEFC)相比其他類型的燃料電池，其特點是具有更低的操作溫度，更高的效率，更高的電流和能量密度，更短的啟動時間，以及更快地響應負載的變化。?

PEFC可分為兩種類型：用甲醇作燃料的直接甲醇燃料電池和用氫作燃料的氫燃料電池。PEFC具有多個膜電極組件(MEA)疊層的結構。MEA包括相互面對的燃料極(陽極)和空氣極(陰極)；以及在這兩個電極之間插入的電解質膜，其中每個燃料極和空氣極各自包括一個用在催化劑顆粒上的氣體擴散層(GDL)。?通過在用多孔碳膜制成的碳基材上涂覆微孔層(MPL)來形成GDL。?

如圖1所示，根據常規技術制備構成氣體擴散層的碳基材的方法包括，碳前體纖維預成網形成過程S10，用于形成由碳前體短纖維組成的預成網(碳前體纖維預成網)；第一碳化過程S17，用于在惰性氣體氛圍和高溫下加熱預成網將預成網的碳前體短纖維碳化為碳短纖維，從而形成碳纖維網；浸漬過程S20，用熱固性樹脂和碳填料浸漬碳纖維網；固化過程S30，向碳纖維網上施加熱和加壓，在碳纖維網里浸漬有該熱固性樹脂和碳質填料，固化該熱固性樹脂；以及第二碳化過程S40，用于碳化該熱固性樹脂和通過在惰性氣體氛圍及高溫下加熱該固化的碳纖維網來提高碳短纖維的結晶度，從而得到所述碳基材。?

圖2詳細說明了根據圖1顯示的常規技術制備構成氣體擴散層的碳基材的方法。?

如圖2所示，除了碳前體纖維預成網形成過程S10、第一碳化過程S17、浸漬過程S20、固化過程S30和第二碳化過程S40以外，根據常規技術制備構成氣體擴散層的碳基材的方法進一步包括在第一碳化過程S17之前的氧化過程S16，其用于預先氧化碳前體短纖維。碳前體纖維網形成過程S10可以包括開松步驟S11，用于開松碳前體短纖維；粗梳步驟S12，用于粗梳開松的碳前體短纖維以形成粗梳的細碳前體纖維預成網；交叉鋪網步驟S13，用于交叉鋪設粗梳后的碳前體纖維預成網以形成厚的碳前體纖維預成網；結合步驟S14，用于結合交叉鋪網后的厚碳前體纖維預成網以獲得結合的碳前體纖維預成網；以及卷繞步驟S15，用于卷繞結合的碳前體纖維預成網。而第二碳化過程S40可包括碳化步驟S42和石墨化步驟S44。?

再參閱圖2，開松機在開松步驟S11中使用，以便松開碳前體短纖維料團，例如聚丙烯腈(PAN)基短纖維、瀝青基短纖維等等，并將它們解纏。在粗梳步驟S12中，粗梳機用于將碳前體短纖維平行排列，然后收集它們形成片狀的薄碳前體纖維預成網。在交叉鋪網步驟S13中，從粗梳機(Carding?MC)中放出的薄碳前體纖維預成網堆疊成多層而得到具有所需重量的厚碳前體纖維預成網。碳前體短纖維從如此交叉鋪網后的厚碳前體纖維預成網中通過針刺法用結合步驟S14中特定的針機械地相互纏結，從而得到結合的碳前體纖維預成網。經受針刺法的碳前體纖維預成網在卷繞步驟S15中卷繞。如上所述，如此卷繞的碳前體纖維預成網經受在空氣氣氛中約200℃到約500℃下氧化過程S16，然?后經受第一碳化過程S17得到碳纖維網。接著，碳纖維網經受浸漬過程S20、固化過程S30和由碳化步驟S42和石墨化步驟S44組成的第二碳化過程S40，得到碳基材。?