[发明专利]一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用

说明书

本发明涉及一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用，一种改性石墨烯纤维无纺布，采用酚醛树脂作为石墨烯纤维无纺布的纤维间结点搭接上浆剂进行改性，获得改性石墨烯纤维无纺布。一种改性石墨烯纤维无纺布在质子交换膜燃料电池中的应用，解决传统商用碳纸表现出较脆、易破碎、电导率差等特性，且单电池长时间工作后，酸性渐增强的水环境和应力松弛等条件会对气体扩散层的碳纤维结构造成破坏，从而使得气体扩散层的传质、导气等性能下降，从而使燃料电池的输出功率密度下降，使用寿命降低的问题。

技术领域

本发明涉及本发明涉及石墨烯纤维无纺布和质子交换膜燃料电池膜电极领域，具体涉及改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用。

背景技术

燃料电池(fuel cell)是一种能量转换、存储的装置，它以电化学反应的方式将燃料和氧化剂中的化学能转换成电能，不受卡诺循环的限制，具有很高的能量转换效率(40％-60％)，如果充分利用余热，甚至效率可达90％，除此之外还有功率密度高、重量轻、构造简单、可靠性高、启动迅速、耐低温、噪音等级低等优势。如质子交换膜燃料电池即是以氢气或富氢气体作为燃料的燃料电池，具有锂电无法比拟的大容量、低成本、长存储周期等优点，且反应产物为H₂O，对解决目前全球所面临的能源短缺和环境污染等两大难题都有极其重要的意义，是便携式应用、发电站、大功率汽车等领域的理想选择。

2004年，英国曼彻斯特大学A.K.Geim教授课题组运用机械剥离法成功制备石墨烯，从结构上说，石墨烯(Graphene)是紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的sp2杂化单层碳原子晶体，层内碳原子以共价键形式连接，具有超高的强度(120GPa)，因此以石墨烯作为源头材料构建特定结构的碳基材料，从而实现碳质功能材料纳米结构的设计和可控以及宏量地制备已经逐渐引起全球科学家的关注。而石墨烯纤维相比传统碳纤维在结构上有更大片径和取向的石墨晶须结构，具有更高强度、高模量、高导电、高导热等特征，引起了国内外学者广泛关注。

质子交换膜燃料电池主要由膜电极和双极板组成，而膜电极主要是由气体扩散层、催化层、质子交换膜三部分构成，燃料电池的电化学反应发生在膜电极中，具体为：(1)外部供应的燃料通过阳极集流板经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层，在催化剂作用下被氧化，燃料分子分解为带正电的离子并释放出带负电的电子，完成阳极反应；(2)离子穿过质子交换膜到达阴极，电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能；(3)在电池另一端，氧气通过阴极集流板经由阴极气体扩散层到达阴极催化剂层，与透过膜的离子和电子反应形成水等产物并产生热量，完成阴极反应；(4)阴极一侧反应生成的水大部分随空气排出，小部分在压力差作用下通过膜向阳极扩散。其中气体扩散层作用为：(1)作为燃料气进入催化层之前的缓冲和扩散层；(2)为电子和反应生成的水提供运输通道；(3)作为膜电极的支撑骨架为质子交换膜和催化剂提供物理支撑。所以这也要求理想的气体扩散层材料满足以下条件：(1)良好的疏水性能；(2)优异的透气性能；(3)良好的导电性；(4)较高的孔隙率；(5)一定的机械强度和柔韧性；(6)优异的电化学稳定性；(7)良好的热传导能力。气体扩散层是气体和水传输的主要场所，其性能的衰退是影响质子交换膜燃料电池使用寿命的重大因素之一。

目前商用气体扩散层使用材料有碳纤维纸、碳纤维编织布和炭黑纸，其中占主导的是碳纸。传统商用碳纸如日本东丽TorayTM060具有良好的疏水性能、机械性能和高孔隙率等，但由于其聚丙烯腈基碳纤维物理搭接的网络结构，整体碳纸表现出较脆、易破碎、电导率差等特性，且单电池长时间工作后，酸性渐增强的水环境和应力松弛等条件会对气体扩散层的碳纤维结构造成破坏，从而使得气体扩散层的传质、导气等性能下降，从而使燃料电池的输出功率密度下降，使用寿命降低。

因此，需要一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用。

发明内容

一种改性石墨烯纤维无纺布，采用酚醛树脂作为石墨烯纤维无纺布的纤维间结点搭接上浆剂进行改性，获得改性石墨烯纤维无纺布。