[发明专利]一种导电性炭纸及其制备方法

说明书

本发明属于导电性材料制备方法技术领域，具体涉及一种导电性炭纸及其制备方法。本发明导电性炭纸由2～10层孔隙率为10～80％的单层碳纤维纸构成，其中最外侧一面的单层碳纤维纸的孔隙率记为A，另一面最外侧的单层碳纤维纸的孔隙率记为B，其中A、B单位为％，导电性炭纸的总厚度记为L，其中L单位为μm，三者须符合如下关系：0.2≤│A‑B│/L≤0.8。本发明通过将含有分散剂、短切碳纤维、纳米碳纤维的混合物置于水中，打浆使得碳纤维和纳米碳纤维分散均匀，形成悬浮液；采用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行制造，形成碳纤维原纸；浸渍粘结剂，并烘干，然后进行炭化，得到导电性炭纸。

技术领域

本发明属于导电性材料制备方法技术领域，具体涉及一种导电性炭纸及其制备方法。

背景技术

质子交换膜氢燃料电池的气体扩散层需同时具有集电、气体传输、气流分配等功能。由此，构成气体扩散层的碳纤维纸层材料中，要求同时具有高导电性、高气体扩散性、高气体分配性等性能。

作为质子交换膜燃料电池的气体扩散层用炭纸，日本公开特许专利第6-20710号公报记载，将短切碳纤维随机分散形成碳纤维纸，并进而由炭素材料结合起来，形成具有多孔质结构的碳纤维纸材料。然而，该碳纤维纸材料难以显著体现出对气流分配的能力。

另一方面，作为质子交换膜燃料电池的气体扩散层用炭纸，其一面与具有气体传输流路的双极板相结合，另一面与催化剂层相结合。因此，作为燃料电池用气体扩散层的导电基材，除了上述要求的导电性、气体透过性、气体分配性等之外，还要求与催化剂层具有良好的的结合性。然而，传统的电极基材中，为了提高气体传输性能，炭纸的孔隙率提高，使得炭纸表面变得粗糙，与催化剂层的结合不良。

发明内容

针对上述问题本发明提供了一种导电性炭纸及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种导电性炭纸，所述导电性炭纸由2～10层孔隙率为10～80％的单层碳纤维纸构成，其中最外侧一面的单层碳纤维纸的孔隙率记为A，另一面最外侧的单层碳纤维纸的孔隙率记为B，其中A、B单位为％，导电性炭纸的总厚度记为L，其中L单位为μm，三者须符合如下关系：0.2≤│A-B│/L≤0.8。当│A-B│/L大于0.8时，由于炭纸两面的孔隙率差异过大，导致炭纸至少一面的平整度降低；当│A-B│/L小于0.2时，炭纸两面的孔隙率差异过小，无法发挥梯度分配气流的作用。

进一步，所述导电性炭纸为非对称的多孔质结构炭纸，导电性炭纸孔隙率高的一面用于与双极板接触，孔隙率低的一面用于与催化剂层接触且在其表面设有微孔层；炭纸按照从孔隙率从小到大或者从大到小的顺序依次排布。在使用时将孔隙率最大的一面与双极板相接触，保证气流在从大孔向小孔过渡的过程中实现气流的逐步均匀分配；将孔隙率最小的一面与催化剂层相接触，保证与催化剂层结合紧密。如果孔隙率不按从大到小或从小到大的顺序排列，将出现气流发生紊乱流动的现象。

再进一步，所述微孔层是聚四氟乙烯与炭素粒子的混合物。聚四氟乙烯使得微孔层总体上疏水性增强，有利于反应生成水的排放；而炭素粒子的加入使得微孔层的导电性提高，有利于电子传输。

一种导电性炭纸的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将含有分散剂、短切碳纤维和纳米碳纤维的混合物置于水中，打浆使得短切碳纤维和纳米碳纤维分散均匀，形成悬浮液；

步骤2，采用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行制备，形成碳纤维原纸；

步骤3，将碳纤维原纸浸渍粘结剂，并烘干；

步骤4，将浸渍粘结剂烘干并经过热压的碳纤维原纸进行炭化，得到导电性炭纸。