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一种燃料电池电极用石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法技术

技术编号:15784848 阅读:67 留言:0更新日期:2017-07-09 08:04
本发明专利技术涉及燃料电池电极多孔扩散成材料的领域,具体为一种燃料电池电极多孔扩散层制造用的基础材料,石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法和生产方法,该方法采用石墨烯粉体、短切碳纤维和植物纤维原木浆,将石墨烯粉体混合液、短切碳纤维混合液和植物纤维混合液制成浆料,浆料和水进行混合稀释后的纸浆放入网箱开始上网抄纸,经过毛毯传送、烘缸烘干后,由卷纸设备成卷,得到所需要的石墨烯碳素纤维导电纸。石墨烯碳素纤维导电纸为80~100克/平方米,其孔隙率为20~40%,导电方阻为3~10欧姆/平方厘米。本发明专利技术石墨烯炭素纤维导电纸可以在普通抄纸机上实现批量生产,且满足制造燃料电池多孔扩散层电极的需要。

Preparation method of graphene carbon fiber conductive paper for fuel cell electrode

The invention relates to a fuel cell electrode material into porous diffusion field, in particular to a layer made of diffusion fuel cell electrode porous base material, graphene, carbon fiber paper preparation method and production method, the method of using graphene powder, chopped carbon fiber and plant fiber raw wood pulp, graphene powder mixture, mixture of chopped carbon fiber and plant fiber mixed liquid into the slurry, slurry and water are mixed and diluted into the cage pulp papermaking began to use the Internet, through the blanket transfer, dryer drying equipment, by rolls of paper rolls, graphene carbon fiber conductive paper needed. Graphene carbon fiber conductive paper is 80~100 grams / square meter, its porosity is 20 ~ 40%, the conductive square resistance is 3~10 ohms / square centimeter. The invention of graphene carbon fiber conductive paper can realize batch production in general machine, and meet the needs of manufacturing fuel cell porous diffusion layer electrode.

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池电极用石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法
本专利技术涉及燃料电池电极多孔扩散成材料的领域,具体为一种燃料电池电极多孔扩散层制造用的基础材料,石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法和生产方法。
技术介绍
燃料电池气体扩散层材料,在燃料电池中起着支撑催化剂层,稳定电极结构的作用,还为燃料电池反应提供燃料气体通道、电子通道和排水通道的作用。不同的扩散层材料对于燃料电池电极的构造制备方法和性能的影响不同,差异很大。常用的气体扩散层材料制备电极的有:碳纤维纸、碳布和炭黑纸等等,它们虽有均匀的孔质薄层结构,化学稳定性和耐热性好,表面平整,可减少电流内部的接触电阻。但现有的国内外用于扩散层电极的基材主要是碳纤维纸材料,由碳纤维、有机树脂和植物纤维混合制造,然后进行碳化制成燃料电池多孔扩散层电极。但是,这种工艺制成的碳素导电纸,为了保证其强度而加入了一些填料,影响了导电性能、透气和透水等功能,而且孔隙结构也不够合理。燃料电池使用的碳素纤维导电纸炭化后必须有如下特性,要求必须达到:(1)均匀的多孔质结构、优异的透气性。(2)较低的电阻率并具有超高的电子传导能力。(3)结构紧密,且表面平整,以减少接触电阻,提高层性能。(4)具有一定的机械强度,利于电极制备。(5)具有一定的化学稳定性和热稳定性。目前,国内外燃料电池的生产制造技术较多。但是,能够生产用于燃料电池多孔扩散成电极制造的只有个别的先进国家,而我们国内几乎没有能够批量生产的,有的也只是处于试验室阶段。并且,使用碳化的基本都是从国外进口的。然而,生产石墨烯碳素导电纸则是更少,几乎是没有,有的也只是处于试验室阶段。燃料电池多孔扩散层材料的国产化,将为我国新能源燃料电池的发展起到重要的促进作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种燃料电池电极多孔扩散层材料石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法,石墨烯炭素纤维导电纸可以在普通抄纸机上实现批量生产,且满足制造燃料电池多孔扩散层电极的需要。本专利技术的技术方案是:一种燃料电池电极用石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法,包括如下步骤:(1)石墨烯粉体的表面处理表面活性处理液采用浓度为95wt%以上的乙醇、纯净水、硅烷偶联剂进行调制,配置的重量比例为(40~60):(40~60):(5~15);将石墨烯粉体、表面活性处理液依次投入搅拌反应釜,石墨烯粉体与表面活性处理液的重量比例为1:(1~3),低速500~1000转/分搅拌3~6分钟,再进行高速2000~3000转/分搅拌30~90分钟,搅拌时反应釜保持温度在50±5℃,搅拌后的石墨烯粉体混合液待用;(2)短切碳纤维的表面处理表面活性处理液采用浓度为95wt%以上的乙醇、纯净水、硅烷偶联剂进行调制,配置的重量比例为(40~60):(40~60):(5~15);将短切碳纤维、表面活性处理液一并投入搅拌反应釜,短切碳纤维与表面活性处理液的重量比例为1:(1~3),即1公斤短切碳纤维加入1~3公斤表面活性处理液,低速500~1000转/分搅拌3~6分钟,再进行高速2000~3000转/分搅拌30~90分钟,搅拌时反应釜保持温度在50±5℃,搅拌后的短切碳纤维混合液待用;(3)将植物纤维原木浆和水依次放入碎浆机中,植物纤维原木浆和水的重量比例为1:(2~4),进行高速2000~3000转/分搅拌碎浆,搅拌后的植物纤维混合液待用;(4)取处理过的石墨烯粉体混合液、短切碳纤维混合液和植物纤维混合液,植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液、短切碳纤维混合液三者的重量比例为(2~3):(95~96):(2~3);先将石墨烯粉体混合液、植物纤维混合液和三分之一的短切碳纤维混合液在磨浆搅拌池中,再向磨浆搅拌池中放入占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量0.2~0.3%的浆内施胶,浆内施胶为水性液体酚醛树脂,开动磨盘搅拌机进行磨合搅拌;将磨盘搅拌机的负荷电流调在满负荷的状态下,运转1~2小时;当电流逐渐下降叩解度达到30°至40°SR时,并且观察不到短切纤维后,将所剩短切碳纤维混合液的一半加入磨浆搅拌池中,并加入所剩短切碳纤维混合液重量一倍的水,继续磨合搅拌1~2小时;再将磨盘搅拌机的磨合盘完全放开,将所剩短切碳纤维混合液全部加入;再向磨浆搅拌池中放入占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量0.2~0.3%的浆内施胶,浆内施胶为水性液体酚醛树脂,磨合搅拌20~40分钟后在加入助留剂、分散剂、挺硬剂继续搅拌20~40分钟后,全部放入成浆池;向成浆池中加入占所有物质总量的4~5倍的水,并开动成浆池中的搅拌机,搅拌1~2小时后形成浆料,准备抄纸;(5)造纸机带水运行,将造纸机中的毛毯润湿,待造纸机的烘缸达到90~95℃时,将造纸机的运行速度调到600~700转/分钟;将浆料通过浆泵输送到离地面3~5米高的成浆高位箱,并将水通过水泵输送到离地面3~5米高的稀释用水高位箱,打开两个高位箱的阀门,以1:(2~3)的重量比例向低于两个高位箱0.5~1.5米的稀释混浆箱放入浆料和水进行混合稀释,将混合稀释后的纸浆放入网箱开始上网抄纸,经过毛毯传送、烘缸烘干后,由卷纸设备成卷,得到所需要的石墨烯碳素纤维导电纸。所述的燃料电池电极用石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法,石墨烯粉体选用氧化石墨烯。所述的燃料电池电极用石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法,石墨烯粉体为3~6层的少层石墨烯,石墨烯粉体的厚度10nm以下,水平方向宽度10~15nm。所述的燃料电池电极用石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法,短切碳纤维选用聚丙烯晴碳纤维或酚醛纤维碳化制得的短切碳纤维,其技术指标如下:碳含量94~96wt%,电阻率1.0~1.6Ω·cm,长度4~8mm,纤维直径5~10μm,拉伸模量200~300GPa,拉伸强度2000~4000MPa。所述的燃料电池电极用石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法,助留剂占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量的0.5~2%,分散剂占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量的1~2%,挺硬剂占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量的0.5~2%。所述的燃料电池电极用石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法,石墨烯碳素纤维导电纸为80~100克/平方米,其孔隙率为20~40%,导电方阻为3~10欧姆/平方厘米。本专利技术的优点及有益效果是:1、本专利技术采用当今先进的石墨烯原材料,石墨烯材料是公认的导电率、导热率最好的材料,高于碳纤维和碳纳米管等电热材料,其电热转换率更高、远红外辐射更强。2、石墨烯是现今人们公认的导电率最高、导热强度最大最快的新型材料,远高于碳纤维碳纳米管等一些新材料,本专利技术以石墨烯为电热材料,与短切碳纤维、植物纤维复合制作出燃料电池电极用石墨烯碳素纤维导电纸。3、本专利技术使用石墨烯材料为添加原料,能加强燃料电池电极多孔扩散层电极的导电性,并增加燃料电池电极多孔扩散层散热性能。4、本专利技术加入石墨烯材料以后,能增加燃料电池电极多孔扩散层孔隙率,还能增加电极的强度。具体实施方式下面,通过实施例对本专利技术进一步详细阐述。实施例1本实施例中,燃料电池电极多孔扩散层材料石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法如下:一、石墨烯粉体的表面处理及石墨烯的选料1、石墨烯粉体的选料选用本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种燃料电池电极用石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)石墨烯粉体的表面处理表面活性处理液采用浓度为95wt%以上的乙醇、纯净水、硅烷偶联剂进行调制,配置的重量比例为(40~60):(40~60):(5~15);将石墨烯粉体、表面活性处理液依次投入搅拌反应釜,石墨烯粉体与表面活性处理液的重量比例为1:(1~3),低速500~1000转/分搅拌3~6分钟,再进行高速2000~3000转/分搅拌30~90分钟,搅拌时反应釜保持温度在50±5℃,搅拌后的石墨烯粉体混合液待用;(2)短切碳纤维的表面处理表面活性处理液采用浓度为95wt%以上的乙醇、纯净水、硅烷偶联剂进行调制,配置的重量比例为(40~60):(40~60):(5~15);将短切碳纤维、表面活性处理液一并投入搅拌反应釜,短切碳纤维与表面活性处理液的重量比例为1:(1~3),即1公斤短切碳纤维加入1~3公斤表面活性处理液,低速500~1000转/分搅拌3~6分钟,再进行高速2000~3000转/分搅拌30~90分钟,搅拌时反应釜保持温度在50±5℃,搅拌后的短切碳纤维混合液待用;(3)将植物纤维原木浆和水依次放入碎浆机中,植物纤维原木浆和水的重量比例为1:(2~4),进行高速2000~3000转/分搅拌碎浆,搅拌后的植物纤维混合液待用;(4)取处理过的石墨烯粉体混合液、短切碳纤维混合液和植物纤维混合液,植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液、短切碳纤维混合液三者的重量比例为(2~3):(95~96):(2~3);先将石墨烯粉体混合液、植物纤维混合液和三分之一的短切碳纤维混合液在磨浆搅拌池中,再向磨浆搅拌池中放入占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量0.2~0.3%的浆内施胶,浆内施胶为水性液体酚醛树脂,开动磨盘搅拌机进行磨合搅拌;将磨盘搅拌机的负荷电流调在满负荷的状态下,运转1~2小时;当电流逐渐下降叩解度达到30°至40°SR时,并且观察不到短切纤维后,将所剩短切碳纤维混合液的一半加入磨浆搅拌池中,并加入所剩短切碳纤维混合液重量一倍的水,继续磨合搅拌1~2小时;再将磨盘搅拌机的磨合盘完全放开,将所剩短切碳纤维混合液全部加入;再向磨浆搅拌池中放入占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量0.2~0.3%的浆内施胶,浆内施胶为水性液体酚醛树脂,磨合搅拌20~40分钟后在加入助留剂、分散剂、挺硬剂继续搅拌20~40分钟后,全部放入成浆池;向成浆池中加入占所有物质总量的4~5倍的水,并开动成浆池中的搅拌机,搅拌1~2小时后形成浆料,准备抄纸;(5)造纸机带水运行,将造纸机中的毛毯润湿,待造纸机的烘缸达到90~95℃时,将造纸机的运行速度调到600~700转/分钟;将浆料通过浆泵输送到离地面3~5米高的成浆高位箱,并将水通过水泵输送到离地面3~5米高的稀释用水高位箱,打开两个高位箱的阀门,以1:(2~3)的重量比例向低于两个高位箱0.5~1.5米的稀释混浆箱放入浆料和水进行混合稀释,将混合稀释后的纸浆放入网箱开始上网抄纸,经过毛毯传送、烘缸烘干后,由卷纸设备成卷,得到所需要的石墨烯碳素纤维导电纸。...

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池电极用石墨烯碳素纤维导电纸的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:(1)石墨烯粉体的表面处理表面活性处理液采用浓度为95wt%以上的乙醇、纯净水、硅烷偶联剂进行调制,配置的重量比例为(40~60):(40~60):(5~15);将石墨烯粉体、表面活性处理液依次投入搅拌反应釜,石墨烯粉体与表面活性处理液的重量比例为1:(1~3),低速500~1000转/分搅拌3~6分钟,再进行高速2000~3000转/分搅拌30~90分钟,搅拌时反应釜保持温度在50±5℃,搅拌后的石墨烯粉体混合液待用;(2)短切碳纤维的表面处理表面活性处理液采用浓度为95wt%以上的乙醇、纯净水、硅烷偶联剂进行调制,配置的重量比例为(40~60):(40~60):(5~15);将短切碳纤维、表面活性处理液一并投入搅拌反应釜,短切碳纤维与表面活性处理液的重量比例为1:(1~3),即1公斤短切碳纤维加入1~3公斤表面活性处理液,低速500~1000转/分搅拌3~6分钟,再进行高速2000~3000转/分搅拌30~90分钟,搅拌时反应釜保持温度在50±5℃,搅拌后的短切碳纤维混合液待用;(3)将植物纤维原木浆和水依次放入碎浆机中,植物纤维原木浆和水的重量比例为1:(2~4),进行高速2000~3000转/分搅拌碎浆,搅拌后的植物纤维混合液待用;(4)取处理过的石墨烯粉体混合液、短切碳纤维混合液和植物纤维混合液,植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液、短切碳纤维混合液三者的重量比例为(2~3):(95~96):(2~3);先将石墨烯粉体混合液、植物纤维混合液和三分之一的短切碳纤维混合液在磨浆搅拌池中,再向磨浆搅拌池中放入占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量0.2~0.3%的浆内施胶,浆内施胶为水性液体酚醛树脂,开动磨盘搅拌机进行磨合搅拌;将磨盘搅拌机的负荷电流调在满负荷的状态下,运转1~2小时;当电流逐渐下降叩解度达到30°至40°SR时,并且观察不到短切纤维后,将所剩短切碳纤维混合液的一半加入磨浆搅拌池中,并加入所剩短切碳纤维混合液重量一倍的水,继续磨合搅拌1~2小时;再将磨盘搅拌机的磨合盘完全放开,将所剩短切碳纤维混合液全部加入;再向磨浆搅拌池中放入占...

【专利技术属性】
技术研发人员:石伟
申请(专利权)人:王敏
类型:发明
国别省市:北京,11

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