[发明专利]聚合物电解质燃料电池气体扩散层碳基材制备方法，其制备的碳基材及该碳基材制备系统

说明书

本申请要求于2010年5月20日向韩国知识产权局递交的韩国专利申请NO.10-2010-0047663的权益，其公开内容全部作为参考引入到本文中。 

背景技术

1、发明的领域 

本发明涉及一种制备用于聚合物电解质型燃料电池气体扩散层的碳基材的方法，该方法制备的碳基材，以及制备该碳基材的系统，更具体地，涉及一种通过使用氧化形态的碳前体短纤维和结合用聚合物短纤维来省去氧化处理过程，由此解决了碳基材产品的偏差和低加工性的问题，并经过多步骤辊压固化过程，通过使用两个或更多的压辊单元以增强可加工性和保持碳基材的均一厚度而连续形成碳基材的制备用于PEFC气体扩散层的碳基材的方法；涉及由此制备的碳基材；以及涉及制备该碳基材的系统。 

本发明由知识经济部的课题所支持(项目编号：2008NFC12J0125002008，领导机构：Hyupjin I&C，Co.，Ltd.，研究课题名称：“氢燃料电池汽车用高性能、低成本气体扩散层定位技术的开发”)。 

2、相关技术的描述 

燃料电池是通过燃料和氧气的电化学反应来产生电能的电化学装置，根据电池中所用电解质类型可以分为聚合物电解质膜(PEM)型，磷酸型，熔融碳酸盐型，固体氧化物型和碱性水溶液型。 

在各种类型的燃料电池中，聚合物电解质燃料电池(PEFC)相比其他类型的燃料电池，其特点是具有更低的操作温度，更高的效率，更高的电流和能量密度，更短的启动时间，以及更快地响应负载的变化。 

PEFC可分为两种类型：用甲醇作燃料的直接甲醇燃料电池和用氢作燃料的氢燃料电池。PEFC具有多个膜电极组件(MEA)叠层的结构。MEA包括相互面对的燃料极(阳极)和空气极(阴极)；以及在这两个电极之间插入的电解质膜，其中每个燃料极和空气极各自包括一个用在催化剂颗粒上的气体扩散层(GDL)。 通过在用多孔碳膜制成的碳基材上涂覆微孔层(MPL)来形成GDL。 

如图1所示，根据常规技术制备构成气体扩散层的碳基材的方法包括，碳前体纤维预成网形成过程S10，用于形成由碳前体短纤维组成的预成网(碳前体纤维预成网)；第一碳化过程S17，用于在惰性气体氛围和高温下加热预成网将预成网的碳前体短纤维碳化为碳短纤维，从而形成碳纤维网；浸渍过程S20，用热固性树脂和碳填料浸渍碳纤维网；固化过程S30，向碳纤维网上施加热和加压，在碳纤维网里浸渍有该热固性树脂和碳质填料，固化该热固性树脂；以及第二碳化过程S40，用于碳化该热固性树脂和通过在惰性气体氛围及高温下加热该固化的碳纤维网来提高碳短纤维的结晶度，从而得到所述碳基材。 

图2详细说明了根据图1显示的常规技术制备构成气体扩散层的碳基材的方法。 

如图2所示，除了碳前体纤维预成网形成过程S10、第一碳化过程S17、浸渍过程S20、固化过程S30和第二碳化过程S40以外，根据常规技术制备构成气体扩散层的碳基材的方法进一步包括在第一碳化过程S17之前的氧化过程S16，其用于预先氧化碳前体短纤维。碳前体纤维网形成过程S10可以包括开松步骤S11，用于开松碳前体短纤维；粗梳步骤S12，用于粗梳开松的碳前体短纤维以形成粗梳的细碳前体纤维预成网；交叉铺网步骤S13，用于交叉铺设粗梳后的碳前体纤维预成网以形成厚的碳前体纤维预成网；结合步骤S14，用于结合交叉铺网后的厚碳前体纤维预成网以获得结合的碳前体纤维预成网；以及卷绕步骤S15，用于卷绕结合的碳前体纤维预成网。而第二碳化过程S40可包括碳化步骤S42和石墨化步骤S44。 

再参阅图2，开松机在开松步骤S11中使用，以便松开碳前体短纤维料团，例如聚丙烯腈(PAN)基短纤维、沥青基短纤维等等，并将它们解缠。在粗梳步骤S12中，粗梳机用于将碳前体短纤维平行排列，然后收集它们形成片状的薄碳前体纤维预成网。在交叉铺网步骤S13中，从粗梳机(Carding MC)中放出的薄碳前体纤维预成网堆叠成多层而得到具有所需重量的厚碳前体纤维预成网。碳前体短纤维从如此交叉铺网后的厚碳前体纤维预成网中通过针刺法用结合步骤S14中特定的针机械地相互缠结，从而得到结合的碳前体纤维预成网。经受针刺法的碳前体纤维预成网在卷绕步骤S15中卷绕。如上所述，如此卷绕的碳前体纤维预成网经受在空气气氛中约200℃到约500℃下氧化过程S16，然 后经受第一碳化过程S17得到碳纤维网。接着，碳纤维网经受浸渍过程S20、固化过程S30和由碳化步骤S42和石墨化步骤S44组成的第二碳化过程S40，得到碳基材。