[发明专利]一种燃料电池气体扩散层用碳纸浸渍树脂的制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种燃料电池气体扩散层用碳纸浸渍树脂的制备方法及其应用，属于染料电池制备技术领域。本发明以碳纤维纸为增强体材料，酚醛树脂为先驱体，加入疏水树脂提高其排水性，并采用超声‑真空二次特殊浸渍工艺。所述制备方法包括如下步骤：(1)浸渍树脂导电油墨混合溶液制备；(2)碳纤维纸超声浸渍导电油墨树脂混合溶液，浸渍过程保持在真空状态下，后模压固化处理；(3)采用真空浓缩二次浸渍导电油墨，后对碳纸进行碳化、石墨化过程。本发明所制备的碳纤维纸具有较高的电导率，透气性和疏水性；结构紧密，表面平整，有利于提高燃料电池的电子传导性能，因此具有良好的实际应用之价值。

技术领域

本发明属于燃料电池制备技术领域，具体涉及一种燃料电池气体扩散层用碳纸浸渍树脂的制备方法及其应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

燃料电池是一种通过电化学反应将化学能直接转化成电能的能源转换装置。其不受卡诺循环的限制，并且以氢气、甲醇、乙醇和甲酸等为燃料代替常规化石燃料。质子交换膜燃料电池是作为继碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后发展起来的第五代燃料电池，采用固态电解质高分子膜作为电解质能源转化效率高，兼具体积小、适应性强、零噪音、环境友好等高性能优点，在航空航天、汽车发动、可移动电源等应用领域具有可观的发展潜力，掀起了世界各国的研究热潮。

气体扩散层是质子交换膜燃料电池的重要组件，可以将燃料电池反应生成的水的有效排出、气体扩散、支撑催化层及传输电能的作用。因此此平面结构体需保证高传导力同时具有良好的气体透过性和排水性。气体扩散层主要以碳纤维纸为基础材料，但碳纸原纸中胶黏剂经高温碳化后大量挥发仅残存少量碳物质，强度几乎丧失。采用含碳量高的树脂浸渍碳纸原纸，经高温处理，树脂碳化后残留的碳对碳纤维起到黏结和增强作用，从而保持碳纸的形状和强度。目前的浸渍工艺制备的气体扩散层仍存在透气疏水性和电子传导能力不能兼具的缺点，而且其制备工艺繁琐且价格较高，不能较好的满足要求。为了更好地提高其性能，许多研究人员从气体扩散层的浸渍原料、结构和工艺方面开始入手进行改进优化。中国专利CN 10941769 A通过超声浸渍方法在碳纤维纸表面浸渍树脂石墨烯和稳定添加料混合溶液，并采用两次碳化来提高其透气性和碳含量，制备柔韧性、力学性能和透气性等较好的气体扩散层。但发明人发现，其疏水性较差，稳定增强添加料中存在较强腐蚀性和产生有害气体，对人体和设备造成损害不利于工业化生产。中国专利CN 103000911 B通过浸渍-高温高压工艺制备多层多孔扩散层电极板，其中浸渍液为改性酚醛树脂和环氧树脂的混合液来提高其透气性。虽工艺简单，但发明人发现，制备的碳纤维纸机械强度、疏水性、结构性较差。中国专利CN 110783593 A通过浸渍-真空浓缩浸渍方法制得结构紧密、表面平整、电阻率低的碳纤维纸气体扩散层。虽然改善了质子传导率但此工艺浸渍过程条件较多，但发明人发现，其工艺苛刻且其疏水性和机械强度不能达到要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种燃料电池气体扩散层用碳纸浸渍树脂的制备方法及其应用，本发明以碳纤维纸为增强体材料,酚醛树脂为先驱体，加入疏水树脂提高其排水性，并采用超声-真空二次特殊浸渍工艺，从而显著提高燃料电池气体扩散层电子传导力、透气性及疏水性，具有结构紧密、表面平整的特点，且工艺简单，成本较低，因此具有良好的实际应用之价值。

具体的，本发明涉及以下技术方案：

本发明的第一个方面，提供一种燃料电池气体扩散层用碳纸浸渍树脂的制备方法，所述制备方法包括：

S1、将热固性酚醛树脂和疏水性树脂溶于有机溶剂中配置成酚醛树脂溶液A备用；

S2、将导电纳米粒子、纳米纤维素和酚醛树脂溶液A机械搅拌进行混合，得到混合导电油墨溶液B备用；