燃料电池用碳纸夹具以及使用该夹具制备疏水性碳纸的制备方法与流程

本发明涉及燃料电池的技术领域，具体涉及一种燃料电池用碳纸夹具以及使用该夹具制备疏水性碳纸的制备方法。

背景技术：

质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。反应气体经过气体扩散层到达催化剂层，在催化剂的作用下发生电化学反应，气体扩散层在电极中不仅起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能。气体扩散层材料必须具有良好的导电性能和适当的疏水性能，在满足电子传导能力强的同时，防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降，从而导致电池性能下降。因此气体扩散层的合理制备显得尤为重要。

现有的燃料电池用气体扩散层材料主要采用碳纸材料，在碳纸使用之前，必须对碳纸进行适当的疏水性处理。碳纸的疏水性处理方法大多数是将碳纸全部浸泡在ptfe溶液里，通过改变ptfe溶液的浓度，来获得疏水性和导电性不同的碳纸。然而这种制备方法存在以下不足：1.制备一定ptfe含量的疏水性碳纸需要预先调制好相对应的ptfe乳液浓度，如果ptfe乳液的浓度不够，将制备不出所需ptfe含量的疏水性碳纸；2.由于碳纸是直接浸泡在ptfe乳液中进行疏水性处理，因此需要较长的浸泡时间才可以获得较高的ptfe含量；3.因为碳纸是完全暴露在ptfe乳液中，所以在碳纸的全部表面都会有ptfe材料的分布，由于ptfe材料是绝缘不导电的疏水性材料，采用这种浸泡的方式得到的疏水性碳纸安装在燃料电池中，碳纸与燃料电池流场板的流道肩接触部位的接触阻抗就会增大，从而增大燃料电池的内阻，降低燃料电池的输出性能；4.由于浸泡碳纸之后的ptfe乳液浓度会发生变化，导致ptfe乳液浓度下降，如果继续重复使用ptfe乳液将导致疏水处理碳纸中的ptfe含量下降，达不到预期效果，如果不重复继续使用ptfe乳液将造成严重浪费，提高疏水性碳纸的制作成本。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供制备疏水性碳纸的碳纸夹具，该碳纸夹具可实现碳纸按燃料电池流场板的流道形状进行疏水性制备，保证碳纸与燃料电池的流道肩接触的碳纸部位的ptfe含量较低，碳纸与燃料电池的流道肩不接触的碳纸部位的ptfe含量较高，从而提高碳纸导电率的同时，提高碳纸的疏水性能。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：

一种燃料电池用碳纸夹具，包括：

下夹板，其上设置有多个第一碳纸夹紧单元，每个所述第一碳纸夹紧单元上设置有与燃料电池中的流场板的流道对应的第一沟槽；以及

上夹板，其与所述下夹板平行设置且两者通过固定装置连接，所述上夹板上设置有与所述多个第一碳纸夹紧单元对应的多个第二碳纸夹紧单元，每个所述第二夹紧单元上设置有所述第一沟槽对应的第二沟槽。

进一步地，每个所述第一碳纸夹紧单元和每个所述第二碳纸夹紧单元通过多个所述固定装置连接。

进一步地，所述固定装置包括：固定在所述下夹板底面上的固定螺母、一端与所述固定螺母通过螺纹连接的固定轴以及与所述固定轴的另一端通过螺纹连接的调节螺母；

其中，所述上夹板和所述下夹板套设在所述固定轴上且位于所述固定螺母和所述调节螺母之间，拧紧调节螺母，所述固定装置将所述上夹板和所述下夹板夹紧。

进一步地，所述固定装置还包括套设在所述固定轴上的中空的凸台，所述凸台的外壁上沿其周向设置有多个压紧块，所述多个压紧块在所述凸台的外壁上呈辐射状向外延伸，所述上夹板上设置有多个与所述凸台以及其上的多个压紧块形状配合的通孔；

并且，转动所述凸台至其上的所述多个压紧块与通孔相对时，可向上取出所述上压板；而转动所述凸台至其上的所述多个压紧块与通孔错位时，所述上夹板被限位在所述多个压紧块和所述下夹板之间。

进一步地，在所述上夹板的顶面上设置有多组半球形限位凸起，当所述凸台至其上的所述多个压紧块与通孔相对时，每组限位凸起位于相邻的两个所述压紧块之间，每组限位凸起包括两个具有间距的限位凸起，与之对应的，在压紧块的底面上设置有半球形的卡点，在夹紧过程中所述压紧块上的半球形卡点卡设在两个所述限位凸起之间的间距中。

进一步地，所述凸台顶面上还固定设置有一正六边形的旋动部，所述旋动部的最长对角线的长度设置为当转动所述凸台至其上的所述多个压紧块与通孔相对时，所述上夹板上的通孔可依次穿过所述凸台和所述旋动部以取出所述上夹板。

进一步地，所述固定轴上还套设有夹紧盖板和压缩夹紧弹簧，所述夹紧盖板与所述调节螺母相抵靠，所述压缩夹紧弹簧被限位在所述凸台与所述夹紧盖板之间。

进一步地，所述固定轴上还设置有圆筒形凸缘部，所述圆筒形凸缘部套设在所述固定轴上，所述圆筒形凸缘部的底面与所述下夹板顶面相向设置，所述固定轴上还套设有支撑弹簧，所述支撑弹簧被限位在所述凸台的内顶面和所述圆筒形凸缘部的顶面之间。

本发明还提供一种使用上述的燃料电池用碳纸夹具制备疏水性碳纸的制备方法，包括如下步骤：

s1：配制合适浓度的ptfe乳液并将其放入超声分散池中；

s2：取上述燃料电池用碳纸夹具，所述燃料电池用碳纸夹具上的每个所述第一碳纸夹紧单元上的所述第一沟槽和每个所述第二碳纸夹紧单元的所述第二沟槽的尺寸与电池的流道尺寸相配合，根据夹紧单元的尺寸裁剪所需大小的碳纸；

s3：利用上述燃料电池用碳纸夹具对碳纸进行装夹，每个第一碳纸夹紧单元和每个所述第二碳纸夹紧单元之间装夹一张碳纸，通过拧紧所述多个固定装置以将位于所述上夹板和所述下夹板之间的碳纸进行夹紧；

s4：将装夹有碳纸的燃料电池用碳纸夹具放入超声分散池中进行超声分散处理；

s5：将超声分散处理之后的碳纸与碳纸夹具一起进行干燥处理和初步固化；

s6：待干燥处理完毕之后，将上述燃料电池用碳纸夹具与碳纸进行分离，并将碳纸进行烧结处理，待碳纸烧结处理完毕之后，即得到ptfe按流道形状分布的疏水性碳纸。

进一步地，步骤s5中干燥温度为65-80℃，干燥时间为25-35min，步骤s6中烧结温度为300-400℃，烧结时间为25-35min。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1、本发明提供一种燃料电池用碳纸夹具根据流场板的流道形状设置沟槽，对碳纸进行分区域进行疏水性处理，可以保证碳纸与流场板的流道对应的部位能够进行疏水处理，这样可以增大碳纸的疏水性能，防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降，从而有利于提高燃料电池的排水性能；而与流场板的流道肩接触的碳纸部位不进行疏水处理，从而可以在保证碳纸疏水性能的同时减小碳纸与流场板的流道肩之间的接触阻抗，使其导电性好，电子传导能力强；

2、本发明的一个碳纸夹具上包含多个碳纸夹具分区，每个碳纸夹具分区都可以装夹一张碳纸，因此在碳纸的疏水性处理过程中，利用碳纸夹具一次性可以装夹多张碳纸；

3、本发明提供的制备方法是将碳纸装夹在碳纸夹具中一起放入超声分散池中进行超声分散处理，在超声波的作用下，ptfe材料可以更加快速地分散到碳纸材料的表面，因此利用超声分散方法制备疏水性碳纸，可以在很大程度上减少碳纸在ptfe乳液中的浸泡时间，从而减少疏水性碳纸的制备时间；该制备方法制作的碳纸，其整体制备工艺简单，可以提高疏水性碳纸的制备效率，和提高疏水性碳纸的性能，而且还可以提高ptfe材料的利用效率，从而降低生产成本。

附图说明

图1为本发明碳纸夹具的结构示意图；

图2为本发明下夹板的俯视图；

图3为本发明上夹板的仰视图；

图4为本发明固定装置的剖面图；

图5为本发明的固定装置上的凸台及其上的压紧块的仰视图；

图6为本发明的固定装置处于松弛状态时的结构示意图；

图7为本发明的固定装置处于夹紧状态时的结构示意图；

图8为本发明的制备方法的流程图；

图9为本发明制备的碳纸和对比例1制得的碳纸的ptfe含量对比图；

图10为本发明制备的碳纸与水的接触角；

图11为对比例2制备的碳纸与水的接触角；

图12为对比例2和对比例3制得的碳纸的电导率对比图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

鉴于现有技术将碳纸直接浸泡在ptfe乳液中，会使得整个碳纸表面的ptfe材料分布一致，而导致该疏水性碳纸安装在燃料电池中，碳纸与燃料电池流场板的流道肩接触部位的接触阻抗就会增大，从而增大燃料电池的内阻，降低燃料电池的输出性能的问题，本发明提供一种燃料电池用碳纸夹具，如图1、图2和图3共同所示，该碳纸夹具包括下夹板1、与下夹板1平行设置的上夹板2以及连接上夹板2和下夹板1的固定装置3。下夹板1上设置有多个第一碳纸夹紧单元100，每个第一碳纸夹紧单元100上设置有与燃料电池中的流场板的流道对应的第一沟槽101。上夹板2上设置有与多个第一碳纸夹紧单元100对应的多个第二夹紧单元200，每个第二碳纸夹紧单元200上设置有第一沟槽101对应的第二沟槽201。将碳纸放于第一碳纸夹紧单元100和第二碳纸夹紧单元200中并用固定装置3夹紧固定，再将夹有碳纸的夹具一起放入ptfe乳液中浸泡时，与燃料电池流场板的流道对应处的碳纸部分由于有沟槽的存在，其浸润的ptfe材料含量较高，从而达到很好的疏水处理，有利于提高燃料电池的排水性能；而与燃料电池流场板的流道肩接触的碳纸部位由于被夹具遮挡，故该部分浸润的ptfe材料含量较低，从而可以保证较好的导电性，进而可以在保证碳纸疏水性能的同时大大减小燃料电池的内阻，提高燃料电池的输出性能。

为了对与燃料电池流场板的流道肩接触的碳纸部位进行更好地夹紧和遮挡，在每个第一碳纸夹紧单元100和每个第二碳纸夹紧单元200的边沿设置多个固定装置3，即每个第一碳纸夹紧单元100和每个第二碳纸夹紧单元200通过多个固定装置3连接。

见图4，固定装置3包括固定在下夹板1底面上的固定螺母300、一端与固定螺母300的通过螺纹连接的固定轴301以及与固定轴301的另一端通过螺纹连接的调节螺母302。上夹板2和下夹板1套设在固定轴301上且位于固定螺母300和调节螺母302之间，拧紧调节螺母302，固定装置将上夹板2和下夹板1夹紧。

为了方便装配碳纸和夹紧碳纸，还可以在固定轴301上套设一中空的凸台303，凸台303的外壁上沿其周向设置有多个压紧块304，多个压紧块304在凸台303的外壁上呈辐射状向外延伸且多个压紧块304与上夹板2的顶面之间具有一定的间隙。与之对应地，在上夹板2上设置有与凸台303以及其上的多个压紧块304形状配合的多个通孔202。当转动凸台303至其上的多个压紧块304与通孔202相对时，向上提拉上夹板2，通孔202可依次穿过凸台303和其上的多个压紧块304以取出上夹板2；而当转动凸台303至其上的多个压紧块304与通孔202错位时，上夹板2被限位在多个压紧块304和下夹板1之间。当需要装夹碳纸时，转动凸台303至其上的多个压紧块304与上夹板2上的通孔相对，向上提拉上夹板2以从凸台303上取出上夹板2，再将碳纸放于下夹板1的顶面上，之后将上夹板2套设在固定轴301上，调节好调节螺母302以对转动凸台303施加预紧力从而将碳纸夹紧。此外，在上夹板2上布置多组半球形限位凸起203，该限位凸起203的高度不小于压紧块304与上夹板2顶面之间的间隙，当凸台303上的多个压紧块304与上夹板2上的通孔202相对时，每组限位凸起203位于相邻的两个压紧块304之间。每组限位凸起203包括两个具有间距的限位凸起203。见图5，与之对应的，在多个压紧块304的底面上设置有半球形的卡点310，两个限位凸起203之间的间距等于卡点310的直径。在夹紧过程中，该多组限位凸起203可以与压紧块304上的半球形卡点310相配合，即在夹紧过程中，压紧块304上的半球形卡点310卡设在两个限位凸起203之间的间距中，从而防止凸台303在拧紧后发生转动而松弛。见图6，当需要松开夹具时，转动凸台303至其上的多个压紧块304与通孔202相对应设置时，每个压紧块位于上夹板的通孔202位置处，此时的固定装置3处于松弛状态，在此状态下可以拿出上夹板2。如图7所示，当需要夹紧碳纸时，转动凸台303至其上的多个压紧块304上的半球形限位凸起310与限位凸起203相抵接时再拧紧调节螺母302，碳纸和上夹板2被多个压紧块304牢固地压紧在下夹板1上，此时凸台303上的多个压紧块304与通孔202错位。

为了便于使用工具转动凸台303，凸台303顶面上还固定设置有一类似于螺母的正六边形中空的旋动部305，其中旋动部305的最长对角线的长度设置为当转动凸台303至其上的多个压紧块304与通孔202相对时，上夹板2上的通孔202可依次穿过凸台303和旋动部305以取出上夹板2，即旋动部305的最长对角线不大于凸台303的最大直径。当需要转动凸台303时，可以使用旋转器械类工具与凸台303上的旋动部305相连接，转动旋动部305以带动凸台303旋转，固定装置3由松弛状态变为夹紧状态。

另外，还可在固定轴301上设置有圆筒形凸缘部306，圆筒形凸缘部306套设在固定轴301上，圆筒形凸缘部306的底面与下夹板1顶面相抵靠，固定轴301上还套设有支撑弹簧307，该支撑弹簧307被限位在凸台303的内顶面和圆筒形凸缘部306的顶面之间。这样当向上取出上夹板2时，由于有支撑弹簧307的存在，凸台303的位置不会改变，其不会因为上夹板2的取出而掉落在下夹板1上，从而方便在加紧碳纸的过程中无需向上托起凸台303。

为了便于调节碳纸的夹紧力度以更好地对与燃料电池流场板的流道肩接触的碳纸部位进行更好地遮挡，固定轴301上还套设有夹紧盖板308和压缩夹紧弹簧309，调节螺母302的底面与夹紧盖板308的顶面相抵靠，压缩夹紧弹簧309位于中空的旋动部305内且被限位在凸台303与夹紧盖板308之间。在拧紧调节螺母302时，由于压缩夹紧弹簧309的存在，能够很好地夹紧碳纸并能够根据实际需要调节夹紧力度。

见图8，本发明还提供一种使用上述燃料电池用碳纸夹具制备疏水性碳纸的制备方法，包括如下步骤：

s1：利用去离子水将高浓度的ptfe乳液稀释到合适的浓度，这个浓度可以根据实际需要来确定，配制合适浓度的ptfe乳液，并将配置好的ptfe乳液放入超声分散池中；

s2：取上述燃料电池用碳纸夹具，燃料电池用碳纸夹具上的每个第一碳纸夹紧单元的第一沟槽和每个第二碳纸夹紧单元的第二沟槽的尺寸与电池的流道尺寸相配合，根据夹紧单元的尺寸裁剪所需大小的碳纸，其中，夹紧单元和碳纸的大小根据每种燃料电池实际需要来定制；

s3：利用上述燃料电池用碳纸夹具对碳纸进行装夹，将旋动部与旋转器械连接以方便转动旋动部，旋动部带动凸台转动至其上的多个压紧块与通孔对应设置，向上取出上夹板，在下夹板的每个第一碳纸夹紧单元上放入一种碳纸，再盖上上夹板，使得每个第一碳纸夹紧单元和每个所述第二碳纸夹紧单元之间装夹一张碳纸，拧紧每个固定装置上的调节螺母以将位于上夹板和下夹板之间的多张碳纸分别进行夹紧；

s4：将装夹有碳纸的燃料电池用碳纸夹具放入超声分散池中进行超声分散处理1-20min，超声分散处理时间可以根据疏水要求来确定；

s5：将超声分散处理之后的碳纸与碳纸夹具一起进行烘箱中干燥处理和初步固化30min左右，烘箱的温度可设置为70-80℃；

s6：待干燥处理完毕之后，将上述燃料电池用碳纸夹具与碳纸进行分离，并将碳纸放入高温炉内进行烧结处理，烧结温度为300-400℃，烧结时间为25-35min，具体数值由实际情况而定，待碳纸烧结处理完毕之后，即得到ptfe按流道形状分布的疏水性碳纸。

为了说明本发明的制备方法的有益效果，本发明人还制备了采用本发明的方法但是没有使用超声分散处理的对比例1、碳纸没有经过任何处理的对比例2以及采用本发明的方法但是未使用本发明的夹具的对比例3，其中，对比例1、对比例2以及对比例3分别采用以下方法制备的：

对比例1

1、按照本发明制备方法的步骤s1提供的方法配制好ptfe溶液；

2、按照本发明制备方法的步骤s2定制碳纸夹具结构和裁剪碳纸至一致大小；

3、按照本发明制备方法的步骤s3利用碳纸夹具对碳纸进行装夹；

4、将碳纸装夹在碳纸夹具中一起直接放入ptfe溶液里浸泡；

5、按照本发明制备方法的步骤s5提供的方法干燥碳纸；

6、按照本发明制备方法的步骤s6提供的方法烧结即可得到ptfe按流道形状分布的疏水性碳纸。

对比例2

按照本发明制备方法的步骤s1和s2裁剪碳纸至一致大小。

对比例31、按照本发明制备方法的步骤s1提供的方法配制好ptfe溶液；

2、按照本发明制备方法的步骤s2裁剪碳纸至一致大小；

3、将整张碳纸直接放入超声分散池中进行超声分散处理，借助超声分散设备进行搅拌，在超声波的作用下，ptfe材料会更加快速地分散到碳纸材料的表面；

4、按照本发明制备方法的步骤s5提供的方法干燥碳纸；

5、按照本发明制备方法的步骤s6提供的方法烧结即可得到ptfe全覆盖的疏水性碳纸。

对用本发明制得的碳纸与对比例1、对比例2以及对比例3进行测量比较，其结果如下：

1.碳纸的ptfe含量

用电子天平分别测量本发明制得的碳纸和对比例1制得的碳纸处理前后的质量，用前后的质量差比上碳纸处理后的质量来表示处理后碳纸的ptfe含量，其结果如图9所示。

从图9中可看出，在同样的浸泡时间以及同样浓度和体积的ptfe乳液浸泡下，相对于传统的浸渍方法制备疏水性碳纸，利用超声分散方法制备出的疏水性碳纸ptfe含量高得多，大大的提高了ptfe材料的利用效率；在超声波的作用下浸泡5分钟的碳纸的ptfe含量相比于传统浸泡15分钟更高，也就是说，超声的作用可以使ptfe材料更加快速地分散到碳纸材料的表面，利用超声分散方法制备疏水性碳纸，可以在很大程度上减少碳纸在ptfe乳液中的浸泡时间，从而减少疏水性碳纸的制备时间。

2.碳纸与水的接触角

用接触角测量仪分别测量本发明制得的碳纸和对比例2制得的碳纸与水的接触角，以此来表示其疏水性，其测量结果见图10和图11，其中，图10为本发明制备的碳纸与水的接触角；图11为对比例2制备的碳纸与水的接触角。

从图10和图11中可看出，实施例1是经过了分区疏水处理的碳纸，水与碳纸的接触角为143.89°，对比例2是未经处理的碳纸，水与碳纸的接触角为126.2°，由此可见，经过疏水处理后可以增大碳纸的疏水性能，防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降，从而有利于提高燃料电池的排水性能。

3.碳纸的电导率

使用四探针电导率测试仪分别测量对比例2和对比例3制得的碳纸的电导率，其测量结果见图12。

对比例2是未经任何处理的碳纸，即图12中疏水处理前表示的图形，对比例3是经过超声处理后ptfe全覆盖的疏水性碳纸，即图12中疏水处理后表示的图形。从图中可看出，经过疏水处理后碳纸的电导率有所下降，这是由于ptfe材料是绝缘不导电的疏水性材料，所以经过超声处理后ptfe全覆盖的疏水性碳纸电导率会比完全不作处理的碳纸电导率低。

但由实施例1处理得到的ptfe按流道形状分布的疏水性碳纸是分区域疏水处理的，也就是说，碳纸与流场板的流道肩接触的碳纸部位不进行疏水处理，电导率等于对比例2测得的电导率，碳纸与流场板的流道肩不接触的碳纸部位进行疏水处理，电导率等于对比例3测得的电导率，它整体的电导率是处于对比例2和对比例3之间的，从而既可以减小碳纸与流场板的流道肩之间的接触阻抗，又可以增大碳纸与流场板的流道肩不接触的碳纸部位的疏水性能，即如实施例1分区域疏水处理在提高碳纸导电率的同时，提高了碳纸的疏水性能。

由此可见，用本发明的制备方法制作的碳纸，综合传输性能好，这可以提高燃料电池的工作性能。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。