[发明专利]一种PVB改性酚醛树脂增强炭纸及其制备工艺和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种PVB改性酚醛树脂增强炭纸及其制备工艺和应用；属于燃料电池扩散层技术领域。

背景技术

由于地球上化石能源有限，寻求可替代清洁能源才是人类的出路。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种能长期持续供电、可方便携带，发电效率高的供电装置，可用作固定发电站，也可用作移动电源，具有巨大的市场的潜能。炭纸作为燃料电池扩散层的重要组成部分，担负起支撑催化剂、透气和排水、集流体的作用，因此炭纸性能好坏直接影响燃料电池的性能。

目前已有一些强化碳纸的技术，如申请号为201110169254.2的专利中公开了一种CTBN改性酚醛树脂增强碳纤维纸强度的工艺；其采用的是CTBN与酚醛树脂共混后浸渍；由于CTBN不能溶解在酚醛树脂溶液中，而是以微小颗粒分散。在静止的环境中容易分离沉淀溶液底部，所以在使用大规模过程必须搅拌，增加了设备费用和产品质量控制的难度；CTBN改性酚醛树脂增强碳纤维纸强度的工艺制备的炭纸，基体炭在在炭纸上分布均不太均匀。

尽管目前已经有关于PVB改性酚醛树酯提高粘着力、动态强度的方法有报道，但将它用作炭纸上作为基体碳的前驱体，却并未见过。

发明内容

本发明针对燃料电池扩散层现有技术存在的不足，提供一种PVB改性酚醛树脂增强炭纸及其制备工艺和应用。

本发明尝试了单独酚醛树脂作为浸渍剂的方案，但是酚醛树脂与炭纸坯体的相容性差，在碳纤维上分布效果不佳，其主要表现在：浸渍后酚醛树脂不能在碳纤维上形成良好的导电网络结构和。

本发明在探索过程中，无意间发现采用先浸渍PVB溶液，然后再浸渍酚醛树脂这一工艺起到了意料不到的效果。

一种PVB改性酚醛树脂增强炭纸；所述炭纸经PVB改性酚醛树脂强化。

本发明一种PVB改性酚醛树脂增强炭纸的制备工艺，包括下述步骤：

步骤一

将炭纸浸入PVB溶液中浸渍，取出，得到浸渍有PVB的炭纸；

步骤二

将步骤一所得浸渍有PVB的炭纸浸入酚醛树脂溶液中进行浸渍，取出，干燥，得到处理后的炭纸；

步骤三

将步骤二所得处理后的炭纸置于模具内，在160～220℃、加压到10～30MPa，保温；得到固化完全的炭纸；

步骤四

在保护气氛下，对步骤三所得固化完全的炭纸进行热处理，得到所述PVB改性酚醛树脂增强炭纸；所述热处理的温度为1800～2500℃。

本发明一种PVB改性酚醛树脂增强炭纸的制备工艺，步骤一中PVB溶液是PVB乙醇溶液；所述PVB溶液中PVB的浓度为0.005g/ml～0.10g/ml。优选为0.06g/ml。在0.06g/ml的PVB溶液中浸渍的炭纸力学性，透气性能，导电性能等综合性能较好.

本发明中，若PVB浓度过高，炭纸的透气性较差。如当PVB浓度为0.15g/ml时,酚醛树脂的浓度0.01g/ml,炭纸透气性仅841ml·mm·cm^-2·hr^-1mmAq^-1。

本发明一种PVB改性酚醛树脂增强炭纸的制备工艺，步骤二中酚醛树脂溶液浓度为0.01～0.1g/ml。

本发明中，酚醛树脂浓度过高，炭纸透气性较差。如当酚醛树脂浓度为0.105g/ml，PVB浓度为0.005g/ml,炭纸透气性仅1097ml·mm·cm^-2·hr^-1mmAq^-1。

本发明一种PVB改性酚醛树脂增强炭纸的制备工艺，步骤二中，浸渍酚醛树脂后，取出，在干燥箱内80℃恒温干燥，得到处理后的炭纸。

本发明一种PVB改性酚醛树脂增强炭纸的制备工艺，炭纸经先后浸渍PVB溶液、酚醛树脂溶液后最终得到的是PVB改性酚树脂吸附在炭纸的表面。

本发明一种PVB改性酚醛树脂增强炭纸的制备工艺，步骤三中，将模具加热至10～130℃；然后将步骤二所得处理后的炭纸置于模具内，在160～220℃、加压到10～30MPa，保温1～2.5h；得到固化完全的炭纸。在工业化应用时，将模具加热至10～130℃；然后将步骤二所得处理后的炭纸叠层放置于平板硫化机上，并继续温度至160～220℃和加压到10～30MPa，保温1～2.5h。所述模具为平板硫化机自带模具。

本发明一种PVB改性酚醛树脂增强炭纸的制备工艺，步骤四中，所述保护气氛选自惰性气氛中的一种。优选为氩气。