[发明专利]疏水碳纸及其制备方法、气体扩散层和燃料电池

说明书

本发明涉及一种疏水碳纸及其制备方法、气体扩散层和燃料电池，疏水碳纸的制备方法包括如下步骤：采用氟气和氮气的混合气体对碳纸进行表面氟化处理；其中，碳纸由碳纤维复合而成，碳纤维的直径为5μm～15μm；碳纸的厚度为100μm～500μm。通过采用氟气和氮气的混合气体对特定直径碳纤维材质和特定厚度的碳纸进行表面氟化处理，不仅有效提高碳纸的疏水性能，且导电性能和孔隙率不受影响。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种疏水碳纸及其制备方法、气体扩散层和燃料电池。

背景技术

燃料电池是一种将氢气和氧气的化学能通过电极反应直接转换成为电能的装置，其反应过程中不涉及到燃烧，且能量转换效率不受卡诺循环的限制，具有高效、洁净等显著特点。质子交换膜燃料电池是最具发展潜力的一种燃料电池，具有能量转换效率高、环境友好、比能量高、操作温度低、启动快的特点，可广泛应用于汽车、轮船、固定式电源等领域。气体扩散层是质子交换膜燃料电池的关键核心材料，通常由基底层和微孔层组成。其中，基底材料层的材质通常为多孔的碳纸，主要起支撑微孔层、催化层、分配气体和排水的作用。因此，用于制备气体扩散层的碳纸通常需要同时具有较高的孔隙率，以及良好的导电性能和疏水性能。

传统的增强碳纸疏水性能的方法主要是在碳纸的表面设置含有导电剂和疏水剂的涂层，从而实现碳纸的疏水处理。然而，导电剂和疏水基的加入会影响碳纸的孔隙率，不利于反应气体和水蒸气的传输；且需要经过分散、涂布、后处理等复杂的工艺流程，增加了成本和资源浪费。

因此，提供一种兼顾孔隙率、导电性能和疏水性能且工艺简单的疏水碳纸的制备方法具有重要意义。

发明内容

基于此，本发明提供了一种能够有效提高碳纸的疏水性能，且导电性能和孔隙率不受影响的疏水碳纸的制备方法及疏水碳纸、气体扩散层和燃料电池。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下。

一种疏水碳纸的制备方法，采用氟气和氮气的混合气体对碳纸进行表面氟化处理；

其中，所述碳纸由碳纤维复合而成，所述碳纤维的直径为5μm～15μm，所述碳纸的厚度为100μm～500μm。

在其中一些实施例中，疏水碳纸的制备方法中，所述混合气体中，所述氟气和所述氮气的体积比为1:(0.01～100)。

在其中一些实施例中，疏水碳纸的制备方法中，所述混合气体中，所述氟气和所述氮气的体积比为1:(1～10)。

在其中一些实施例中，疏水碳纸的制备方法中，所述表面氟化处理的温度为0℃～500℃，时间为0.1min～120min。

在其中一些实施例中，疏水碳纸的制备方法中，所述表面氟化处理的温度为150℃～350℃，时间为10min～30min。

在其中一些实施例中，疏水碳纸的制备方法中，所述表面氟化处理是将所述碳纸置于传送带上并通入氟化处理炉的炉腔内进行的，所述炉腔包括外腔和设于所述外腔内的内腔，所述外腔内充入氮气，所述内腔内充入氟气和氮气的混合气体。

在其中一些实施例中，疏水碳纸的制备方法中，所述传送带的运行速度为0.1m/min～5.0m/min。

本发明提供了一种碳纸，采用上述的疏水碳纸的制备方法制备得到。

本发明提供了一种气体扩散层，所述气体扩散层包括上述的碳纸。

本发明提供了一种燃料电池，所述燃料电池的电极包含有上述的气体扩散层。

与现有技术相比较，本发明的疏水碳纸的制备方法具有如下有益效果：