SGL碳開發和商業化聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)的碳基產品:氣體擴散層(GDL)箔用作燃料電池和氧化還原流動電池(膨脹石墨)的隔板。
SGL碳的氣體擴散層(GDL)是典型的雙層結構,由大孔支撐材料(碳纖維紙支撐)和微孔碳基層(MPL)組成。纖維基材決定著GDL的力學性能(壓縮、彎曲和抗剪強度等方面的行為)。MPL保證與催化劑層的緊密接觸,保護脆弱的質子交換膜免受穿孔,并在操作過程中對電池的水管理起到積極作用。人們一致認為,這種結構(親水/疏水和不同孔徑)所帶來的非均勻孔隙有利于性能的提高。
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氣體擴散層雙層結構示意圖
在基材和MPL中加入一定數量的聚四氟乙烯(PTFE),以保持其疏水性能。在MPL中可以使用各種類型的碳粒子(炭黑、石墨)來產生不同程度的疏水性。此外,MPL還可作為基底沉積催化劑顆粒,用于制造氣體擴散電極(GDEs)。
自1999年以來,SGL碳一直通過卷取工藝生產經過充分處理的SIGRACET氣體擴散層.炭紙型(由濕鋪制的切盤基碳纖維制成)氣體擴散層是首選的解決方案,因為它們可以在高體積(可擴展性)和低厚度的條件下制造。下圖顯示了GDL制造的整個價值鏈。到目前為止,所有商業上可用的GDL材料都是以聚丙烯腈(PAN)生產的碳纖維為基礎的。聚丙烯腈(CO)聚合物通過濕法紡絲加工成前驅體纖維.隨后的穩定和熱解產生高拉伸(HT)碳纖維,這些纖維的尺寸和切碎,以使適當的加工利用造紙技術。
碳纖維生產過程
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SIGRAFIL短切碳纖維的研制
一種碳纖維網是通過造紙技術和隨后的熱連接而鋪設的。然后,將所得的原紙浸漬碳化熱固性樹脂(可選擇添加碳填料),固化后再碳化/石墨化。這有助于提高機械穩定性和電導率,以及調整理想的孔隙度水平。
炭紙基片生產過程
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SIGRACET(炭紙基)氣體擴散層背襯的制造路線
GDL的涂飾包括用PTFE對基體進行疏水處理和用微孔層(MPL)進行涂層。
整理處理過程
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SIGRACET(炭紙基)氣體擴散層的整理處理過程
A loading of the substrate with 5% (w/w) PTFE has proven to be sufficient for obtaining a pronounced hydrophobicity. MPLs typically contain 20 to 25% PTFE. This MPL composition has been identified as the optimum ratio for PEMFC performance across a broad range of operating conditions. Mean pore diameters of SIGRACET??GDLs are typically in a range from 0.1 to 0.3 μm (Hg-Porosimetry) or 1.5 to 3 μm (calculated from capillary flow porometry). The hydrophobic treatment produces water repellent properties for the substrate and for the MPL (water contact angles by sessile drop method > 130°).
標準SIGRACET GDL等級的典型屬性。
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SGL Carbon生產的碳紙被業界廣泛認可。但是由于其碳紙種類繁多,分類體系復雜,。以下就以其中一種(Sigracet 10)介紹一下SGL Carbon的分類規則:
AA:無PTFE疏水處理,無微孔層MPLs,該型號的碳紙為的生碳紙(Raw Carbon Paper),用于后續的處理或直接使用。
BA:經PTFE疏水處理,無微孔層MPLs。該型號的碳紙只經過PTFE疏水處理。SGL Carbon的MPL通常包含5%到25%的PTFE,該MPL組成已被確定為在廣泛的操作條件下PEMFC性能的最佳比例。
BB:有PTFE層有微孔層。該型號的碳紙經過PTFE疏水處理和涂覆有一層MPL(微孔層)
BC:有PTFE層有微孔層。BC型號相較于BB型號,單位面積質量有所增加,透氣性和孔隙率都有所降低。