[发明专利]一种高碳含量燃料电池气体扩散层用碳纸的制备方法

说明书

本发明公开了一种高碳含量燃料电池气体扩散层用碳纸的制备方法，其制备方法为：将碳纤维纸浸入第一导电油墨中，先超声处理，再负压浸渍，然后干燥，使第一导电油墨中的溶质与碳纤维纸复合获得碳纸前驱体A；将碳纸前驱体A进行碳化获得碳纸前驱体B；对碳纸前驱体B与第二导电油墨进行浸渍‑固化‑碳化处理获得碳纸前驱体C，将碳纸前驱体C与第三导电油墨重复一次进行浸渍‑固化‑碳化处理获得碳纸前驱体D；将碳纸前驱体D进行石墨化获得碳纸。本发明制备的碳纸具备气体扩散层的机械强度，气体扩散性能、孔隙率高，且具有化学性能稳定、电阻率低、电导率高的特点。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种高碳含量燃料电池气体扩散层用碳纸的制备方法。

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。

燃料电池发电是一种不经过燃烧直接将化学能转化为电能的发电装置，利用氢气、天然气、甲醇等燃料与纯氧或空气作为原料分别在电池的阴极和阳极发生氧化还原反应，将化学能连续不断地转换为电能，是一种不需要经过卡诺循环的电化学发电装置，能量转化率高，环境友好，几乎不排放氮与硫的氧化物，且二氧化碳的排放量也比常规发电厂少40％。燃料电池可分为：质子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱燃料电池等。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC，Proton Exchange MembraneFuel Cell)因为具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、无污染、体积轻巧等诸多优点，被认为是最具发展潜力的电源之一。

气体扩散层是燃料电池的重要组件之一，气体扩散层的主要作用是确保由反应生成的水的有效排出与气体的扩散路径。即，由碳纤维和经碳化的树脂粘合剂构成的平面结构体需要极高的气体透过性和高的排水性。气体扩散层是燃料电池的重要组成部分，电池的效率、电池内阻与其息息相关，因此改善气体扩散层性能是发展燃料电池的重要途径。而其存在的主要问题是强度低、碳含量低、易断裂、电阻高、气体扩散性能和排水性能差。

为改善碳纤维纸的气体扩散性，降低生产成本，中国专利CN110767926A通过将碳纤维纸浸入水溶性聚乙烯醇并提拉，提拉后进行干燥并放入真空浓缩器中，使溶剂蒸发得成品。制备的成品可提高燃料电池的传导性能，但发明人研究发现，由于没有碳化、石墨化过程使得其电阻率较高、含碳量较低影响电池性能。中国专利CN110284334A也没有碳化、石墨化工艺，将导电碳纤维和聚吡咯纳米纤维制成导电无纺布后，经防水涂料涂布处理，烘干后即得燃料电池碳纸。制作方法简单易操作，成本低廉，制作效率和成品良率高，但发明人研究发现，该方法也在着电阻率高的问题。

中国专利CN101613982A公布了一种燃料电池用碳纤维纸的制备方法。在用配置的酚醛树脂乙醇溶液浸渍后，进行低温碳化；碳化后再次进行浸渍、固化和碳化过程，制备了碳纤维纸，解决了孔隙率与电导率低的问题、但发明人研究发现，该方法制备的碳纤维纸在电导率、碳含量与电阻率方面仍需改进。中国专利CN110129992A介绍了一种燃料电池用碳纤维纸的制备方法。先对碳纤维石墨化处理，然后通过干法造纸法制备碳纸预制件，抄造完成后进行碳化处理，并进行化学气相沉积，沉积完成后进行提纯和石墨化处理，最终制得碳纤维纸，使得制作过程更简单且成本较低，但发明人研究发现，该方法制备的碳纤维纸结构紧密性较差、难实现工业化生产。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有的碳纤维纸碳含量低、电阻率高，在追求透气度的同时忽略了纸的力学强度。组装成电池后，使得电池能量效率低，且无法有效排除多余的液体与气体。本发明的目的是提供一种高碳含量燃料电池气体扩散层用碳纸的制备方法，本发明制备的碳纸具备气体扩散层的机械强度，气体扩散性能、孔隙率高，且具有化学性能稳定、电阻率低、电导率高的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种高碳含量燃料电池气体扩散层用碳纸的制备方法，其步骤包括：