[发明专利]一种梯度孔隙结构碳纸的制备方法

说明书

本发明公开了一种梯度孔隙结构碳纸的制备方法：将不同长径比的碳纤维分别进行脱胶、氧化处理后，分别分散于分散剂溶液中，形成不同长径比的碳纤维浆料；将碳纤维浆料按照碳纤维的长径比由高到低的顺序依次进行梯度铺层，斜网成型，得到三维网络结构的碳毡前驱体；将碳毡前驱体浸渍于树脂溶液中，取出，烘干，得到碳毡；将碳毡先热压成碳纸原纸，再进行碳化、石墨化处理，得到梯度孔隙结构碳纸。本发明按照浆料碳纤维长径比由高到低的顺序依次梯度铺层，使制备的碳纸具有梯度孔结构，碳纸内部形成连通孔隙，孔径沿碳纸平面上法线方向梯度变化，在扩散通道内形成压力梯度，可提高气体的输送效率，有效改善碳纸的传质和传热性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种梯度孔隙结构碳纸的制备方法。

背景技术

碳纸作为燃料电池气体扩散层的理想基底材料，其孔隙度及孔隙结构直接影响扩散层的传质和传导性能，即产物水和反应气体的传输效率，影响电池性能。

目前制备碳纸的方法一般是先对短切碳纤维束进行脱胶处理，去除表面上浆剂，再采用气相或液相氧化方法对碳纤维加以改性，引入含氧官能团，改善亲水性，再将预处理碳纤维加入分散剂溶液中，搅拌疏解至纤维完全分散，形成稳定的抄纸浆料备用，接着利用湿法造纸，从碳纤维浆料抄制出纸片，干燥后得到前驱体碳毡，将前驱体碳毡在树脂溶液中浸渍，再通过热压使碳纤维间的树脂固化，成型获得初级碳纸，最后经过碳化、石墨化制得成品碳纸。但是这种制备方法主要存在以下技术缺陷：

1、孔结构无法满足电池高能量效率的要求。单一长径比碳纤维制出的碳纸，孔径和孔隙度往往不能满足扩散层的传质要求。当纤维长度过长，碳纸上会形成较大的网络孔隙，导致排水性过强，容易造成质子交换膜脱水，使传质效率下降；当使用短碳纤维时，则碳纸网络孔隙较小，孔隙率不足，渗透性差，导致产物水的积塞和气体输送慢，造成水淹和传质极化。若采用不同的长径比碳纤维混合抄纸的方法，虽然能够增多纤维间的有效搭接，改善前驱体碳纸的均匀性和致密度，有利于降低电阻率；但该法制备出的碳纸孔径大小难以保持一致，孔隙度偏低，整体的传质能力不佳，且气体通过面内各位置时流速存在差异，引起催化剂表面反应气分布不均，出现传质极化。

2、碳纸密度偏低，影响碳纸面内和纵向导电性能。湿法抄制出的碳毡因孔隙过大，纤维搭接面积不足，通常力学强度很差，必须引入酚醛树脂进行增密化，利用酚醛树脂碳在纤维间的填充作用，使纤维搭接牢固，成型为碳纤维与树脂的复合材料。但酚醛树脂其自身含碳量一般不超过40％，即使通过改性也只能接近50％，而且酚醛树脂在高温碳化过程中还原为树脂碳，伴随碳氧化物以气体形式放出，因含氧率较高，碳化后树脂体积大量收缩，引起巨大面积孔洞，使强度、电导率急剧下降，这样又衍生出对碳纸的进一步增密工艺，延长生产线，不利于工业化效率。

3、石墨化温度高。初级碳纸经过碳化后，含氧树脂降解为树脂碳，电导率有所增加；为进一步提升碳纸导电性，还需对树脂碳进行石墨化处理，将玻璃态的树脂碳转变为石墨碳。由于石墨化温度在2200℃以上，很多加热设备往往达不到参数要求，导致热处理困难和成本增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种梯度孔隙结构碳纸的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种梯度孔隙结构碳纸的制备方法，包括以下步骤：

(1)将不同长径比的碳纤维分别脱胶、氧化处理后，分别分散于分散剂溶液中，形成碳纤维浆料；

(2)按照浆料中碳纤维长径比由高到低的顺序依次梯度铺层，斜网成型，得到三维网络结构的碳毡前驱体；

(3)将所述碳毡前驱体浸渍于树脂溶液中，取出，烘干，得到碳毡；

(4)将所述碳毡先热压成碳纸原纸，再一次进行碳化、石墨化处理，得到梯度孔隙结构碳纸。