[發明專利]一種燃料電池碳紙的柔性化處理方法

在審

• 申請號: 202010134321.6
• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111342058A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 陳慶;廖健淞;楊潔;何方;陳濤
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于燃料電池碳紙的技術領域，具體涉及一種燃料電池碳紙的柔性化處理方法，包括：將聚二甲基硅氧烷溶解于乙酸乙酯中，加入四針狀氧化鋅進行超聲分散，加入帶有攪拌器的進料罐中，攪拌均勻后對碳紙進行第一次噴涂，進行第一次熱處理；將聚四氟乙烯乳液、導電劑、乳化劑和乙醇溶劑混合超聲分散，加入帶有攪拌器的進料罐中，攪拌均勻后對碳紙進行第二次噴涂，再進行第二次熱處理，固化后即得柔性碳紙；噴涂具有四針型結構的氧化鋅使中間層具有更大的孔隙率，再噴涂聚四氟乙烯后形成具有極高柔韌性的表面層，有效防止聚四氟乙烯添加量過大引起的堵塞氣孔的問題。

技術領域

本發明屬于燃料電池碳紙的技術領域，具體涉及一種燃料電池碳紙的柔性化處理方法。

背景技術

燃料電池是一種在等溫條件下，不經過燃燒直接以電化學反應方式將燃料和氧氣中的化學能轉化為電能的發電裝置，具有高效、無污染、無噪聲、可靠性高、模塊化、對負載變化快速響應等顯著優點，被譽為21世紀的主要能源之一，是繼火電、水電、核電之后的第四代發電方式。只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續不斷地發電。氫是燃料電池的最佳燃料，而燃料電池也正是氫能轉換為電能的最佳轉換裝置，其理論轉化效率為83%（25℃），實際工作轉換效率在45%～60%，比內燃機效率（20%～40%）高。

燃料電池的氣體擴散層作為四大零部件中重要的一環，在燃料電池中起到支撐催化層、收集電流、傳導氣體和排出反應產物水的重要作用，即承擔導水、導氣、導電和支撐催化劑層的重要作用。常用于質子交換膜燃料電池電極中的氣體擴散層材料為碳纖維紙、碳纖維編織布、非織造布及炭黑紙等，但有的也使用金屬材料，如扁平的金屬海綿———網狀金屬鎳。其中，碳纖維紙是一種廣泛應用于質子交換膜燃料電池（PEMFC）電極中的氣體擴散層材料，它不僅具有均勻的多孔質薄層結構，而且由于主要原料使用石墨化碳纖維，使得它具備優異的導電性、化學穩定性和熱穩定性。但是由于碳纖維紙脆性大，缺乏柔性，在制備電極的過程中易被損壞，因此在PEMFC電極中使用較多的氣體擴散層基底材料還有碳纖維編織布。它沒有碳纖維紙那樣的機械脆性，具有彎曲性能，依賴于纖維結構和編織工藝；還具有一定的抗壓性能，有利于通過加壓的辦法來改善它與電解質或催化劑層的電接觸。編織用的碳纖維紗線是長的碳纖維，經捆扎而成，但最好是通過紡紗工藝對紗線加捻后編織成布，不過這種碳布也可以是由碳纖維的前驅體編織成布后經過炭化制成。無紡布，為了克服碳纖維紙缺乏柔性而碳纖維編織布缺乏尺寸穩定性的弱點，PEMFC電極用氣體擴散層基底還可選用碳纖維無紡布。它同時具備一定的機械強度，且有高的柔性和尺寸穩定性等優點，從而利于電極的制作。適合的材料最好包括碳纖維、玻璃纖維或者含有機聚合物的纖維，這些有機聚合物可以是聚丙烯、聚酯（聚對苯二甲酸乙二醇酯）、聚亞苯基硫或聚醚酮等。碳黑紙，作為氣體擴散層基底使用的炭黑紙，是由炭粉和聚合物粘結劑均勻分散后，經過熱壓成型而形成表面平整的片材，其中聚合物與炭粉的質量比在20:80和45:55之間。炭粉可選用活性炭、炭黑、乙炔黑或其混合物，炭粉的比表面積在50m²/g～2000m²/g之間；聚合物可選擇氟樹脂，如PTFE、聚偏1、1-二氟乙烯等，這種氟樹脂同時還可作為炭黑紙的憎水處理劑，從而簡化了后面的憎水處理工藝，降低了成本。

但是現有研究發現，目前的燃料電池氣體擴散層還是普遍使用碳纖維紙作為原料，通過對其進行疏水改性后作為氣體擴散層使用，其生產過程大多使用高溫碳化工藝，代表產品為日本東麗公司的碳紙產品。雖然高溫碳化工藝可以有效提高碳紙的導電性和剛性，但由此帶來的缺點是碳紙脆性過大，在安裝和使用過程中極易受損。

公開號為CN105826562A的中國發明專利，提出了一種氮摻雜碳柔性紙及其制備方法與應用，通過三聚氰胺泡沫環化提高碳紙的柔韌性，然而這種制備方法需要高溫及較高的真空度，在實際生產過程中的應用受到極大的限制。因此，針對燃料電池碳紙的柔韌性提高的工藝改進具有十分重要的實際意義。

發明內容

針對現有燃料電池以碳紙作為基層時，其脆性較大的問題，本發明提出一種燃料電池碳紙的柔性化處理方法。