[发明专利]一种PEM燃料电池、气体扩散层多孔碳纸及其制备方法

说明书

本发明涉及一种PEM燃料电池、气体扩散层多孔碳纸及其制备方法，属于新能源材料技术领域，解决了现有气体扩散层碳纸材料制备成本高且工序复杂、制备过程中孔隙性能与机械性能无法有效调控的问题。该制备方法包括：步骤1、对天然无机矿物纤维进行预处理，得到预处理无机矿物纤维；步骤2、利用丙烯对预处理无机矿物纤维进行碳沉积处理，得到碳沉积无机矿物纤维；步骤3、利用碳沉积无机矿物纤维与聚乙烯醇制备多孔碳纸坯体；步骤4、将多孔碳纸坯体浸渍含有4,4’‑亚甲基双苯胺三嗪树脂与纳米碳黑的乙酸乙酯溶液，经高温碳化处理制得气体扩散层多孔碳纸。本发明的制备方法简明高效，多孔碳纸性能优良，制备过程成本可控，适宜于较大规模生产。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，尤其涉及一种PEM燃料电池、气体扩散层多孔碳纸及其制备方法。

背景技术

人类目前所面临两个最严重的环境问题：空气污染和气候变暖，这二者都与过度使用化石能源有关。石油、煤炭和天然气的过度开采以及燃烧造成烟尘、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物，氧化硫以及臭氧等污染物的排放，由此引起环境和气候问题。低碳无污染的能源形式是人类社会可持续发展的必然趋势，氢作为一种理想清洁能源的载体日益引起密集的关注，但在氢作为清洁能源广泛应用之前，必须解决一些关键的技术问题，其中包括：经济高效的氢制备方法，氢存储与运输问题以及氢能源使用中的安全问题。

氢是单位质量能量密度(140.4MJ/kg)最高的能源形式，接近汽油单位质量能量密度(48.6MJ/kg)的三倍。但氢的体积能量密度8491MJ/m³(液态氢)却远低于汽油的31150MJ/m³，这必然造成需要更大的储存容器，特别是对于汽车相关的应用，由此必须解决氢的有效存储问题。

氢作为能源形式最大的优势体现在其特殊的电化学特性，氢是一种高效的燃料电池的燃料，尤其对于低温质子交换膜(PEM)燃料电池，PEM燃料电池的唯一排放物为电化学过程产生的水，是一种真正的无污染高效的能源产生形式。

PEM燃料电池目前应用的气体扩散层(GDL)材料主要为由PAN纤维经过热固性树脂浸渍后碳化和石墨化而形成的碳纸与碳布类材料，这类材料目前的制备工序复杂，涉及环节庞杂，由此导致材料的性能调控困难，制造成本高而且无法进行较大规模的制备，由于GDL材料为PEM燃料电池的关键部件，需要进一步发展新工艺和新方法来提高材料各方面的性能，同时降低制造成本提高制造效率。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种PEM燃料电池、气体扩散层多孔碳纸及其制备方法，用以解决现有GDL材料制备成本高且工序复杂、制备过程中孔隙性能与机械性能无法有效调控的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种气体扩散层多孔碳纸，气体扩散层多孔碳纸的制备原料包括天然无机矿物纤维、丙烯、聚乙烯醇、4,4’-亚甲基双苯胺三嗪树脂和纳米碳黑；

天然无机矿物纤维为纤蛇纹石、水铝英石、凹凸棒石和海泡石中的一种。

另一方面，本发明还提供了一种气体扩散层多孔碳纸的制备方法，用于制备上述的气体扩散层多孔碳纸，包括以下步骤：

步骤1、对天然无机矿物纤维进行预处理，得到预处理无机矿物纤维；

步骤2、利用流量为0.8～12mL/min的丙烯对预处理无机矿物纤维进行碳沉积处理，碳沉积处理温度为600～1000℃，碳沉积处理时间为1.0～6.0h，处理后制备得到碳沉积无机矿物纤维；

步骤3、利用碳沉积无机矿物纤维与聚乙烯醇制备多孔碳纸坯体；聚乙烯醇的使用量为碳沉积无机矿物纤维质量的5.0～20％；

步骤4、将步骤3制备的多孔碳纸坯体浸渍含有4,4’-亚甲基双苯胺三嗪树脂与纳米碳黑的乙酸乙酯溶液，浸渍后经过高温碳化处理，制备得到气体扩散层多孔碳纸。