[发明专利]一种燃料电池用碳纤维纸及其制备方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池用碳纤维纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)碳纤维石墨化处理；(2)采用干法造纸法制备碳纸预制件；(3)对碳纸预制件进行碳化处理；(4)将碳化处理的碳纸预制件进行化学气相沉积；(5)对经过化学气相沉积处理的碳纸预制件进行提纯处理和石墨化处理，最终制得所述燃料电池用碳纤维纸。本发明比常规湿法造纸技术更环保、工艺更简化、成本更低，可以满足不同流体扩散要求。

技术领域

本发明涉及高性能碳纤维纸的制备技术领域，尤其是涉及一种满足不同流体扩散要求的燃料电池用碳纤维纸及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的发电装置。作为21世纪燃料电池的新星，质子交换膜燃料电池不仅兼备了燃料电池的固有特点，更因其以氢能为主要动力源，而具有能量转换效率高、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点，在能源和节能技术领域具有广泛的应用。

碳纤维纸是质子交换膜燃料电池核心部件——扩散层电极的基体部分，其质量直接涉及到燃料电池的性能。作为燃料电池的扩散层基体，要求碳纸的孔特征(孔径、孔隙率、孔分布、孔表面特性)、电阻率、热导率、机械强度、纯度、耐腐蚀性能等达到符合质子交换膜燃料电池技术性能要求。目前国际上碳纤维纸生产商主要有德国SGL公司、日本东丽(Toray)公司、加拿大Ballard公司。国内关于碳纤维纸的研究起步较晚，与国外有较大的差距。近年来有较多的研究，也有相关的专利。通过专利和相关论文检索发现，目前制备碳纤维纸的方法通常采用常规湿法造纸法(也称为抄纸法)，即采用碳纤维原料，利用纸样抄片器使碳纤维纸页成型、经平板干燥器干燥，得到碳纤维原纸(碳纸前驱体)，然后将其浸渍于树脂溶液中，通过固化、碳化、石墨化等工艺制备成符合要求的碳纤维纸。

然而，碳纤维在湿法抄造中最突出的问题是分散与成型。碳纤维在打浆中不易分散，一般先通过高速切割机把它们切短到合适的长度。若纤维切得太短，往往较容易分散，能抄出匀度较好的纸页，但其强度较低。反之若纤维切得太长，分散较困难，易于絮聚成团，也难抄出匀度好的纸页。同时，分散过程中必需加入水溶性高分子分散剂，使碳纤维悬浮分散均匀，再送往抄纸。高分子分散剂加入过多，碳纤维浆料浓度太低，滤水太快，无法在普通的长网造纸机和圆网造纸机上抄造；高分子分散剂太少，纤维不易分散，而且浆料浓度太高，滤水太慢，不利于规模化生产。此外，湿法造纸技术也存在生产过程中液体排放等环保问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种燃料电池用碳纤维纸及其制备方法。本发明比常规湿法造纸技术更环保、工艺更简化、成本更低，可以满足不同流体扩散要求。

本发明的技术方案如下：

一种燃料电池用碳纤维纸，所述碳纤维纸的厚度为0.10-0.30mm，体积密度为0.30-0.60g/cm³，孔隙率为60-90％；厚度方向的电阻率≤0.16Ω·cm，平面方向的电阻率≤0.01Ω·cm；室温下导热系数：垂直方向≥1.7W/(m·K)，平行方向≥21W/(m·K)；气体透过率≤50mmH₂O/mm。

一种燃料电池用碳纤维纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)碳纤维石墨化处理；

(2)采用干法造纸法制备碳纸预制件；

(3)对碳纸预制件进行碳化处理；

(4)将碳化处理的碳纸预制件进行化学气相沉积；

(5)对经过化学气相沉积处理的碳纸预制件进行提纯处理和石墨化处理，最终制得所述燃料电池用碳纤维纸。

步骤(1)中所述石墨化处理的条件为：将碳纤维在氩气保护气氛下，1800-3000℃进行石墨化处理；去胶的同时，提高碳纤维的石墨化度。