[发明专利]一种控制碳纤维纸中孔径尺寸的碳纤维纸制备方法

说明书

技术领域

碳纤维纸广泛应用于制作质子交换膜燃料电池中气体扩散层材料，可以为燃料电池提供气体通道、排水通道和电子通道。本发明具体是涉及一种燃料电池用碳纤维纸的制备方法，属于燃料电池领域。

背景技术

气体扩散层是质子交换膜燃料电池中的重要组件，起到支撑催化剂层和稳定电极结构作用，还为燃料电池反应提供气体通道、电子通道和排水通道。碳纤维纸是燃料电池中应用最广泛的气体扩散层基底材料之一，目前使用的碳纤维纸由于加入了大量树脂，碳纤维纸表面会产生一种较薄的树脂薄膜，此薄膜会堵塞碳纤维纸中的部分孔洞，这影响碳纤维纸的导气排水性能。再者，采取传统湿法造纸工艺制备的碳纤维纸由于碳纤维的骨架的是随机搭结形成的，这样制备出的碳纤维纸的孔径大小不一，孔径分布也不均匀。

发明内容

本发明的目的在于解决现有燃料电池用碳纤维纸技术问题，提供一种燃料电池用气体扩散层碳纤维纸的制备方法。本发明方法制备的碳纤维纸纸具有良好的透气性，均匀孔径分布和稳定的孔径尺寸，当采用的燃料电池气体扩散层碳纤维纸孔径尺寸处于一个合适范围时，燃料电池的综合性能较好，这是因为当碳纤维纸的孔径过小时，测不利于燃料电池气体扩散层碳纤维纸导气排水，当碳纤维纸孔径过大时，测会增大碳纤维纸内阻，降低电子传输效率。本发明制备的碳纤维纸除具有良好的透气性，良好的孔径分布和合适的孔径尺寸，同时还兼有良好的导电性、较高的强度，较低的表面粗糙度，能满足燃料电池气体扩散层的要求，适合用于燃料电池膜电极的制备。

本发明采用添加造孔剂发来控制碳纤维纸孔径，具体包括如下步骤：

将长度为3～20mm直径为5～8nm的聚丙烯腈基碳纤维放在500～650℃空气中进行表面氧化处理，且时间为30秒～10分钟之间。

将经上述处理过的聚丙烯腈基碳纤维放入含有造孔剂的分散液中进行高速搅拌，使碳纤维和造孔颗粒均匀的分散在水媒液中。其中水媒液中的分散剂浓度为1％～3％。

采用传统湿法抄纸技术得到碳纤维纸胚体，碳纤维纸胚体经干燥后，浸渍3％～30％的树脂溶液，其中树脂溶液中碳素颗粒占0.1％～5％。

浸渍上述树脂的碳纤维纸胚体经2～3次模压固化后，在温度为900～2500℃氮气保护气氛下进行碳化处理，即得到碳纤维纸。

本发明的有益成果：本发明制备的碳纤维纸除了具有良好的导电性和较好的强度，还具有较高的透气性，采用添加造孔剂的方法使制备的碳纤维纸具有稳定的孔径尺寸和均匀的孔径分布。碳纤维纸是燃料电池的关键材料之一，为燃料电池提供气体通道、排水通道和电子通道。具有合适孔径尺寸结构的碳纤维纸可以提高燃料电池的综合性能。

具体实施方式

例1：

将长度为10mm直径为7nm的聚丙烯腈基碳纤维放在500℃空气中进行表面氧化处理，时间为5分钟。

称取70g/m²处理好的碳纤维、200g/m²粒径为30μm碳酸钙颗粒，2％羧甲基纤维素钠水媒液，将这三者通过高速搅拌混合均匀。

采用传统湿法抄纸技术得到碳纤维纸胚体，碳纤维纸胚体经干燥后，浸渍20％的酚醛树脂溶液，其中酚醛树脂溶液中含有粒径为15nm的石墨颗粒，质量比为占1％。

浸渍上述树脂的碳纤维纸胚体在150℃模压固化2次，每次模压时间为15分钟。最后放在温度为1500℃氮气保护气氛下进行碳化处理，即得到碳纤维纸，然后用水去除碳纤维纸中剩下的造孔剂残留物，即得到我们的产品碳纤维纸。

得到的碳纤维纸性能指标如下：

面电阻率0.50g/cm³，透气性为2000mL·mm/(cm²·hr·mmAq)，面电阻率为：0.010Ω·cm。抗拉强度为：20MPa，孔径大小为28～32μm。

例2：

将长度为6mm直径为7nm的聚丙烯腈基碳纤维放在600℃空气中进行表面氧化处理，时间为1分钟。

称取70g/m²处理好的碳纤维、200g/m²粒径为20μm碳酸钙颗粒，1.5％羧甲基纤维素钠水媒液，将这三者通过高速搅拌混合均匀。

采用传统湿法抄纸技术得到碳纤维纸胚体，碳纤维纸胚体经干燥后，浸渍15％的酚醛树脂溶液，其中酚醛树脂溶液中含有粒径为20nm的石墨颗粒，质量比为占0.5％。