[发明专利]一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层及其制备方法

权利要求书

1.一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，将主要由纤维状粘合剂、水、分散剂和长径比不同的碳纤维组成的碳纤维悬浮液进行抄纸和干燥得到碳纤维原纸后，在氮气或惰性气体保护下对其进行碳化和石墨化处理得到质子交换膜燃料电池用气体扩散层；

纤维状粘合剂是由酚醛树脂与其他树脂组成的复合纤维或共混纤维；

其他树脂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯和聚丙烯中的一种以上；

碳纤维的长度为0.5～20mm，碳纤维的长径比为100～3000，长径比位于区间[100,500)的碳纤维的质量占碳纤维总质量的0～10wt％，长径比位于区间[500,1000)的碳纤维的质量占碳纤维总质量的60～84wt％，长径比位于区间[1000,2000)的碳纤维的质量占碳纤维总质量的5～25wt％，长径比位于区间[2000,3000]的碳纤维的质量占碳纤维总质量的1～5wt％；碳纤维悬浮液中碳纤维用量为水用量的0.01～5wt％；

纤维状粘合剂的直径为5～50μm，长度为3～10mm，残碳率为6～50％，碳纤维原纸中纤维状粘合剂的含量为5～30wt％；

分散剂为聚氧化乙烯或吐温60，碳纤维悬浮液中分散剂用量为水用量的0.05～1.5wt％；

碳纤维悬浮液中，分散剂与水组成的分散液的粘度为100～2000Pa·s。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，碳纤维悬浮液中还含有具有石墨结构的碳粉，碳纤维原纸中具有石墨结构的碳粉的含量为2～60wt％。

3.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，碳纤维悬浮液中还含有陶瓷纤维，碳纤维悬浮液中陶瓷纤维用量为碳纤维用量的0.5～5wt％，陶瓷纤维的长度为1～3mm。

4.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，干燥的温度为50～150℃，时间为5～90min；碳化的温度为1000～1300℃，时间为10～60min；石墨化的温度为1500～2400℃，时间为5～60min。

5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，碳化前，还对碳纤维原纸进行交联固化处理，交联为化学交联或热压交联；

化学交联的过程为：首先将碳纤维原纸浸入由甲醛、盐酸和水组成的交联浴中，在22～25℃下预处理24～60h，然后以130～170℃/h的升温速率将交联浴加热至溶液沸腾，保温0.5～3h，将碳纤维原纸取出、水洗和干燥；交联浴中甲醛的含量为18.5wt％，盐酸的浓度为12～18wt％；

热压交联的温度为140～300℃，时间为5～30min，施加在碳纤维原纸上的压强为5～15MPa。

6.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池用气体扩散层的制备方法，其特征在于，酚醛树脂为热塑性酚醛树脂、热固性酚醛树脂或质量比为9～1:1～9的热塑性酚醛树脂和热固性酚醛树脂共混物；纤维状粘合剂中酚醛树脂的含量为10～50wt％；复合纤维为海岛型、皮芯型、并列型或橘瓣型纤维；共混纤维是由两种以上树脂经熔融共混纺丝或溶液共混纺丝制得的。