[发明专利]一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法

说明书

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法，制备方法为：以碳纤维配伍一定量气相生长碳纤维、铜粉为主要原料，水溶性聚乙烯醇纤维为增强纤维，先经高速搅拌机搅拌，然后改用低速搅拌设备并添加分散剂将上述原料均匀分散于水中，采用斜网造纸机或侧流式圆网造纸机湿法造纸工艺抄造成基纸，再经酚醛树脂浸渍、热压及碳化、石墨化处理制成质子交换膜燃料电池用碳纸。本发明制备的质子交换膜燃料电池用碳纸具有优异的导电导热性能，良好的强度和较高的透气透湿性能。

技术领域

本发明属于燃料电池关键配套材料加工技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是以氢气为燃料，通过氢氧化合作用产生电能的供电装置，具有能量转换效率高、可长期持续供电、无污染排放、稳定可靠等优点，在固定式发电站、新能源汽车电源、军用航天器电源、潜艇用电源等领域的应用具有巨大的市场潜力。

碳纸是质子交换膜燃料电池气体扩散层的主体材料，起支撑催化剂，为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的作用，是影响电极性能的关键部件之一。作为气体扩散层材料的碳纸应具有均匀的多孔结构，良好的强度，优异的导电导热性能，良好的化学稳定性和热稳定性，碳纸制备方面相关专利较多，且近年仍在不断改进、完善，如CN100336972C介绍了采用碳纤维和聚乙烯醇胶粘剂抄造原纸，经热固性树脂浸渍、热压及石墨化制成碳纸的方法，CN1331261C采用碳毡、碳黑及粘合剂复合成基纸，再经浸渍树脂、热压和石墨化制成碳纸。由于碳材料的性能与其结晶度（即石墨化度）有很大关系，而提高石墨化度的主要手段就是高温热处理，通过高温热处理的方法可以使碳材料由无序的乱层结构向有序结构转化（即石墨化），但这需要很高的温度，目前，为了达到碳纸优异的导电性能要求，普遍采用2000℃以上甚至高达2800℃的高温进行石墨化处理，但由于碳纤维和以酚醛树脂为代表的热固性树脂均为难石墨化碳，属硬碳，即使采用了2800℃的高温石墨化处理也很难达到较低的电阻率要求，并同时存在石墨化环节能耗高，处理时间长的缺陷，有鉴于此，迫切需要设计一种新的提升碳纸导电、导热性能以及降低石墨化能耗的工艺方法。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法，本发明提出了一种以碳纤维配伍一定量气相生长碳纤维和铜粉抄造碳纸基纸，并经树脂浸渍、热压、碳化及石墨化制成质子交换膜燃料电池用碳纸的制备方法。

所述的一种质子交换膜燃料电池用碳纸的制备方法，其特征在于以碳纤维、气相生长碳纤维、水溶性聚乙烯醇纤维、铜粉为原料，按重量份数比为：68~78份的碳纤维、6~10份的气相生长碳纤维、12~16份的水溶性聚乙烯醇纤维和4~6份铜粉，上述原料中气相生长碳纤维和铜粉先经无水乙醇润湿后与碳纤维、水溶性聚乙烯醇纤维混合，然后加水至总固体物料的重量百分比浓度为0.3~0.8%，用高速搅拌机搅拌5~15分钟，加入分散剂后改用低速搅拌设备搅拌至各种物料均匀分散，采用造纸机湿法造纸工艺抄造成基纸，经树脂浸渍、热压及碳化、石墨化处理制成质子交换膜燃料电池用碳纸。

所述的一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法，其特征在于所述碳纤维为直径5μm~13μm的聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维中的一种或两种的组合，所述水溶性聚乙烯醇纤维为水溶温度为70℃、80℃、90℃中的一种。

所述的一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法，其特征在于所述气相生长碳纤维系采用化学催化气相沉积技术制备而成，具有同心圆中空叠层结构，平均直径80nm~100nm，长度50μm~100μm。

所述的一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法，其特征在于所述铜粉为粒径小于或等于13μm的超细铜粉。

所述的一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法，其特征在于包括以下步骤：