[发明专利]一种导电高分子薄膜改性的炭纤维纸及其制备方法

说明书

本发明涉及一种导电高分子薄膜改性的超薄炭纤维纸及其制备方法，属于燃料电池扩散层技术领域。采用电化学沉积的方法在高通量无改性超薄炭纤维纸内部沉积导电高分子薄膜，制得导电高分子薄膜改性超薄炭纤维纸。在所制的导电高分子薄膜改性超薄炭纤维纸中，导电高分子薄膜包覆在炭纤维、基体炭‑炭纤维节点上，在炭纸内部形成厚度均匀的薄膜网络。本发明的制备方法简单，所制备的导电高分子薄膜能显著提高超薄炭纸的力学性能，并使超薄炭纸具备较高的气透率。

技术领域

本发明涉及一种导电高分子薄膜改性的炭纤维纸及其制备方法，属于燃料电池扩散层技术领域。

背景技术

炭纤维纸是一种以树脂炭、沥青炭等为基体，炭纤维为增强体的多孔C/C复合材料，用作燃料电池的气体扩散基体材料。炭纤维纸主要的性能为：力学性能、透气性能和导电性能。炭纤维纸的性能主要有以下几个影响因素：1)基体炭，由于基体炭是炭纤维纸的基体，也是“焊接”炭纤维的粘结剂，故而其含量、分布和性能直接影响的炭纤维纸的性能。2)炭纤维，炭纤维的含量、长度和分布均匀性均对炭纤维纸性能有影响。3)炭纤维与基体炭间的界面结合状况，炭纤维的强度(例如：Toray,Japan,T-300,拉伸强度：3530MPa)明显强于树脂炭(拉伸强度大约为：42MPa)，故两者的结合界面的协和作用对炭纸的性能有很大影响。其中以基体炭对炭纤维纸性能的影响最大。当基体炭含量较少时，炭纤维纸的透气性能较好，由于基体炭的力学性能较差，故炭纤维纸的力学性能较差，并且，由于基体炭含量少，炭纤维间的“焊接”较少，使得炭纤维纸的导电性也较差。通过增加基体炭的含量可提高炭纸的力学性能和导电性能，但当基体炭含量较大时，过多的基体炭会堵塞炭纤维纸的孔隙，使得炭纤维纸的透气性能急剧下降。故而需选择适当的基体炭含量来平衡各性能。然而，随着燃料电池在汽车领域的应用，要求燃料电池具备较高的功率密度，故而需对炭纤维纸进行减薄，并使炭纤维纸需兼具高透气性能与良好的力学性能。通过传统工艺增加基体炭含量的方法，已无法满足上述要求。

目前已有一些通过高分子强化炭纤维纸的技术，如Hyunuk Kim等在论文【Fabrication of carbon paper containing PEDOT:PSSfor use as a gas diffusionlayer in proton exchangemembrane fuel cells】中公开一种通过用聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)替代基体炭直接涂覆炭纤维坯体上来提高炭纸的力学性能的方法，但由于涂覆不均匀，且PEDOT-PSS的固有导电性较炭材料差(10-2S·cm)，致使炭纸导电性和透气性均较差，所制备的燃料电池性能也较差，所制备炭纤维纸不具备实用性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有炭纤维纸在减薄后力学性能和透气性能较差的问题，提供的一种导电有机物薄膜增强炭纸及其制备工艺。本发明在传统工艺制备的高通量炭纸中原位制备导电高分子薄膜，并使导电高分子薄膜包覆在炭纤维纸中的炭纤维、基体炭-炭纤维节点上，在炭纸内部形成厚度均匀的薄膜网络，有效提高炭纤维纸的力学性能，使所获得的导电高分子薄膜改性炭纤维纸具有较高的透气性。

本发明一种导电高分子薄膜改性炭纤维纸，所述炭纤维纸为超薄炭纤维纸，所述超薄炭纤维纸厚度为0.05-0.15mm，所述导电高分子薄膜包覆在炭纤维纸的炭纤维、基体炭-炭纤维节点上，并在炭纸内部形成厚度均匀的薄膜网络；所述薄膜网络的厚度为0.1-3μm。

本发明所述超薄炭纤维纸为高通量无改性超薄炭纤维纸；所述高通量无改性超薄炭纤维纸是通采用常规制备方法制备的。

本发明一种导电高分子薄膜改性炭纤维纸，包覆在炭纤维纸的炭纤维、基体炭-炭纤维节点上的导电高分子薄膜的厚度为0.1-3μm。

本发明一种导电高分子薄膜改性炭纤维纸，所述导电高分子为聚噻吩。

本发明一种导电高分子薄膜改性超薄炭纤维纸的制备方法，采用电化学沉积的方法在高通量无改性超薄炭纤维纸上原位沉积导电高分子薄膜；