[发明专利]碳纸及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种一步法制备具有不同功能层结构的碳纸的方法，其特征在于包括：

提供混合浆料，所述混合浆料包含0.1～2.0mg/mL碳纳米管、0.5～3.0mg/mL短碳纤维、20-100mg/mL聚四氟乙烯以及溶剂；

将所述混合浆料加入真空过滤装置，静止5～30min后，在压力为0～0.98Mpa的条件下进行抽滤，从而制得碳纸初成品；

将所述碳纸初成品依次进行干燥、热处理，从而制得碳纸。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于具体包括：将浓度为0.1～2.0mg/mL的碳纳米管浆料、0.5～3.0mg/mL的短碳纤维浆料、20～100mg/mL的聚四氟乙烯浆料按照1：10：5～2：5：2之间的质量比混合形成所述的混合浆料；

优选的，所述真空过滤装置内采用的滤膜包括混合纤维素酯膜，所述混合纤维素酯膜的平均孔径为0.22～0.45μm。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于具体包括：

将碳纳米管、磺酸及水均匀混合形成碳纳米管浆料，其中，所述碳纳米管与磺酸的质量比为1：5～1：20；

将所述碳纳米管浆料与短碳纤维浆料及聚四氟乙烯浆料混合，形成所述混合浆料。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于具体包括：

将碳纳米管、磺酸及水均匀混合后在细胞粉碎机中于10～40℃、10～900W的条件下分散1～3.5h，从而制得所述碳纳米管浆料；

和/或，将短碳纤维与水及有机溶剂混合后，在常温下以10～900W的功率分散5～10min，从而制得所述短碳纤维浆料；

和/或，将所述碳纳米管浆料与短碳纤维浆料及聚四氟乙烯浆料混合后，在常温下以10～900W的功率分散2～10min，从而制得所述混合浆料；

优选的，所述碳纳米管的直径为1～2nm，长度为30～50nm，所述的短碳纤维的直径为5～10μm，长度为300～500μm：

优选的，所述溶剂选自水和/或有机溶剂，所述有机溶剂包括乙醇和/或丙酮。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于具体包括：将所述碳纸初成品自然干燥12～24h后进行热处理；

和/或，所述热处理的温度为200～650℃。

6.由权利要求1-5中任一项所述方法制备的碳纸。

7.一种碳纸，其特征在于包括：

第一功能层，主要由无序碳纳米管聚集形成；

第二功能层，主要由质量或体积比为1：3～1：6的碳纳米管和短碳纤维无序聚集形成；

第三功能层，主要由质量或体积比小于1：3的碳纳米管和短碳纤维无序聚集形成；

所述第二功能层分布于第一功能层和第三功能层之间。

8.根据权利要求7所述的碳纸，其特征在于：所述第一功能层的表面是光滑的；

优选的，所述第一功能层所含孔洞的孔径为20～30nm；优选的，所述第一功能层的孔隙率为50％～85％；优选的，所述第一功能层的厚度为10～30μm；

和/或，所述第二功能层所含孔洞的孔径为40～80nm；优选的，所述第二功能层的孔隙率为60％～95％；优选的，所述第二功能层的厚度为30～60μm；

和/或，所述第三功能层所含孔洞的孔径为25～35nm；优选的，所述第三功能层的孔隙率为55％～90％；优选的，所述第三功能层的厚度为10～30μm；

优选的，所述碳纳米管的直径为1～2nm，长度为30～50μm，所述的短碳纤维的直径为5～10μm，长度为300～500μm。

9.如权利要求6或7或8中任一项所述的碳纸于制备高性能质子交换膜燃料电池中的用途。

10.一种高性能质子交换膜燃料电池，其特征在于：所述燃料电池的气体扩散层包含权利要求6或7或8中任一项所述的碳纸。