zhuanti ---PEMFC核心技术

燃料电池关键部件碳纤维纸的专利与产品分析

供稿人:卞志昕  供稿时间:2006-3-17   关键字:碳纤维纸  碳纸  质子交换膜  燃料电池  
PEMFC电极是一种多孔的气体扩散电极,一般由气体扩散层和催化剂层组成。高性能的碳纤维纸是一种广泛应用于电极中的气体扩散层材料, 目前国内的PEMFC研究单位基本上都是使用日本TORAY公司、德国技术公司(SGL)或者是加拿大 SGL Ballard公司的碳纸, 因此, 开发具有自主知识产权的高性能碳纤维纸具有重要的理论意义和现实意义。
 
气体扩散电极是PEMFC的核心部件,而气体扩散层是电极的重要组成材料。常用的气体扩散层材料有碳纤维纸、碳纤维编织布、非织造布及碳黑纸等。但有的也使用金属材料,如扁平的金属海绵——网状金属镍。其中碳纤维纸是一种广泛应用于电极中的气体扩散层材料, PEMFC它必须满足以下性能要求:
 
⑴ 均匀的多孔质结构,赋予它优异的透气性能;
 
⑵ 低的电阻率,赋予它高的电子传导能力;
 
⑶ 结构紧密且表面平整,减小接触电阻,提高导电性能;
 
⑷ 具有一定的机械强度,利于电极的制作,提供长期操作条件下电极结构的稳定性;
 
⑸ 具有化学稳定性和热稳定性;
 
⑹ 低的制造成本,高的性能价格比。
碳纤维纸专利
目前,日本Toray公司申请的碳纤维纸专利较多,且最近几年仍在不断改进完善。US2005100498为日本MITSUBISHI RAYON公司于2003年申请的美国专利,其碳纤维纸以有机高分子化合物为粘结剂,选择平均直径小于5μm,平均长度为3~10mm的碳纤维,并介绍了用此碳纤维纸做多孔碳电极材料的制作方法。
 
2002年申请的JP2003323897介绍了一种具有高电导性和柔韧性的电极材料和碳纸材料,碳纸包括碳纤维和酸基团取代水溶性苯胺导体聚合物,聚合物还代有硫或羧基团。
 
国内专利中也有较多国外(特别是日本)公司申请的专利,国内公司申请的专利还较少。如2001年11月9日由上海依极科技有限公司申请的中国专利即提供一种用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料(CN1417879)。该发明的碳纤维纸材料,以短高碳纤维为造纸浆液原料,其特征在于,该短高碳纤维的长度分布于0.5毫米至5.0毫米之间,其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间,其含量占重量百分比96%至99%。由于在碳纤维纸材料中包含了不同长短的短高碳纤维,这些不同长短的短纤维相互重叠缠合,形成优良的导电体系,又具有分布均匀的孔隙,保证了气体的均匀扩散,克服了传统电极气体扩散层的碳纸电阻率、孔隙率以及均匀度等方面的缺点。该发明专利已于2005年1月授权公告。
 
2002年11月,北京石油大学公开了一种两面具有不同亲水疏水性能的功能碳纸及其制备技术。因碳纸两面具有不同亲水疏水性能,该过程避免了通常碳纸使用时复杂的后处理过程。同时在制备过程中通过加入石墨粉等物质,使碳纸有良好的导电性和适宜的孔隙度(CN1378014)。
碳纤维纸产品
在国际上比较著名的品牌为德国技术公司(SGL)、日本TORAY公司和加拿大 Ballard Material Products公司的产品。
 
德国SGL公司以优质碳纤维为原材料,生产各种纺织类用品,如SIGRATEX无纺布,就选择PAN为基底的碳纤维,而且可通过非常普通的生产工艺进行生产。其具有柔韧性和良好的导电性,也无健康危害。此外,还具有防酸化、平滑表面、避免半导体的静电负荷特性,适用于电化学电池的电极基底。
 
TORAY公司是另一著名碳纸生产公司。其成立于1971年,主要从事PAN基碳纤维的人型工业化生产,并将其产品命名为“TORAYCA”,是TORAY碳纤维的缩写。目前,TORAY是全球生产和营销碳纤维的领导者。由Toray公司生产的碳纤维纸具有高导电性、高强度、高气体透过率、表面平滑等多种优点。目前,TORAY的三种型号产品性能列表如下。
 
表1:TORAY碳纤维纸产品性能
 
TGP-H-060
TGP-H-090
TGP-H-120
厚度 mm
0.19
0.28
0.36
电抗值 mΩ·cm
纵向
/
80
/
横向
5.8
5.6
4.7
热传导值W/(m·K)
纵向
/
1.7
/
横向
/
21
/
气体透过率
ml·mm/(cm2·hr·mmAq)
1900
1700
1500
密度 g/cm3
0.44
0.45
0.45
拉伸强度 N/cm
50
70
90
弯曲强度 MPa
/
39
/
(来源:http://www.toray.co.jp/composites/application/app_e002.html)
 
加拿大巴拉德公司也开发出了一种可使用于燃料电池的燃料-氢气或氧气扩散的碳纤维纸。碳纤维纸由以碳素纤维为主要成分的聚丙烯腈(PAN)制成,特点是能以较低的成本投入批量生产。巴拉德公司历经2年多开发成功了这种材料。碳纤维纸的重量为48克/m2,密度为0.28克/cm3,根据强度不同,厚度分别为108μm~172μm,碳元素的含量在99%以上。将以成卷的形式提供货。每卷全长最大500米,宽度最大为0.8米。工业样品为0.2×0.25米单张。
 
表2:Ballard公司碳纤维纸产品性能
 
Ballard
AvCarb P50T
Ballard
AvCarb P75T
厚度 mm
0.175
0.240
单位重量 g/cm2
60
84
破裂强度 N/m
2200
2500
PTFE含量  %
14~16
14~16
压缩率 %
10
9
穿越平面电抗性 mΩ·cm2
11
12
(来源:http://www.ballard.com/be_a_customer/carbon_fiber_products/products/AvCarb_carbon_
fiber_papers#)
 
由Toray公司和Ballard公司的碳纤维纸产品性能看,它们既在机械性能上达到了一定的强度,同时也保持着良好的电学、热学性能和气体透过率。多种稳定性能及其高性价比是碳纤维纸目前发展的主要目标。
 
参考文献
1.  US2005100498
 
2.  JP2003323897
 
3.  CN1378014
 
4.  http://www.sglcarbon.com/sgl_t/industrial/sigratex/index.html
 
5.  http://www.toray.co.jp/composites/application/app_e001.html
 
6.  质子交换膜燃料电池电极用气体扩散层材料  电源技术 2003,27(3),329-332
 
7.  PEM燃料电池用气体扩散层材料研究进展   电池工业  2004,9(5),253-257
 
8.   质子交换膜燃料电池用高性能碳纤维纸的研究简报 高科技纤维与应用  2002,27(6),37-40

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