一种燃料电池用碳纤维纸及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种燃料电池用碳纤维纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)碳纤维石墨化处理；(2)采用干法造纸法制备碳纸预制件；(3)对碳纸预制件进行碳化处理；(4)将碳化处理的碳纸预制件进行化学气相沉积；(5)对经过化学气相沉积处理的碳纸预制件进行提纯处理和石墨化处理，最终制得所述燃料电池用碳纤维纸。本发明专利技术比常规湿法造纸技术更环保、工艺更简化、成本更低，可以满足不同流体扩散要求。

A Carbon Fiber Paper for Fuel Cell and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池用碳纤维纸及其制备方法
本专利技术涉及高性能碳纤维纸的制备
，尤其是涉及一种满足不同流体扩散要求的燃料电池用碳纤维纸及其制备方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的发电装置。作为21世纪燃料电池的新星，质子交换膜燃料电池不仅兼备了燃料电池的固有特点，更因其以氢能为主要动力源，而具有能量转换效率高、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点，在能源和节能
具有广泛的应用。碳纤维纸是质子交换膜燃料电池核心部件——扩散层电极的基体部分，其质量直接涉及到燃料电池的性能。作为燃料电池的扩散层基体，要求碳纸的孔特征(孔径、孔隙率、孔分布、孔表面特性)、电阻率、热导率、机械强度、纯度、耐腐蚀性能等达到符合质子交换膜燃料电池技术性能要求。目前国际上碳纤维纸生产商主要有德国SGL公司、日本东丽(Toray)公司、加拿大Ballard公司。国内关于碳纤维纸的研究起步较晚，与国外有较大的差距。近年来有较多的研究，也有相关的专利。通过专利和相关论文检索发现，目前制备碳纤维纸的方法通常采用常规湿法造纸法(也称为抄纸法)，即采用碳纤维原料，利用纸样抄片器使碳纤维纸页成型、经平板干燥器干燥，得到碳纤维原纸(碳纸前驱体)，然后将其浸渍于树脂溶液中，通过固化、碳化、石墨化等工艺制备成符合要求的碳纤维纸。然而，碳纤维在湿法抄造中最突出的问题是分散与成型。碳纤维在打浆中不易分散，一般先通过高速切割机把它们切短到合适的长度。若纤维切得太短，往往较容易分散，能抄出匀度较好的纸页，但其强度较低。反之若纤维切得太长，分散较困难，易于絮聚成团，也难抄出匀度好的纸页。同时，分散过程中必需加入水溶性高分子分散剂，使碳纤维悬浮分散均匀，再送往抄纸。高分子分散剂加入过多，碳纤维浆料浓度太低，滤水太快，无法在普通的长网造纸机和圆网造纸机上抄造；高分子分散剂太少，纤维不易分散，而且浆料浓度太高，滤水太慢，不利于规模化生产。此外，湿法造纸技术也存在生产过程中液体排放等环保问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术申请人提供了一种燃料电池用碳纤维纸及其制备方法。本专利技术比常规湿法造纸技术更环保、工艺更简化、成本更低，可以满足不同流体扩散要求。本专利技术的技术方案如下：一种燃料电池用碳纤维纸，所述碳纤维纸的厚度为0.10-0.30mm，体积密度为0.30-0.60g/cm3，孔隙率为60-90％；厚度方向的电阻率≤0.16Ω·cm，平面方向的电阻率≤0.01Ω·cm；室温下导热系数：垂直方向≥1.7W/(m·K)，平行方向≥21W/(m·K)；气体透过率≤50mmH2O/mm。一种燃料电池用碳纤维纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)碳纤维石墨化处理；(2)采用干法造纸法制备碳纸预制件；(3)对碳纸预制件进行碳化处理；(4)将碳化处理的碳纸预制件进行化学气相沉积；(5)对经过化学气相沉积处理的碳纸预制件进行提纯处理和石墨化处理，最终制得所述燃料电池用碳纤维纸。步骤(1)中所述石墨化处理的条件为：将碳纤维在氩气保护气氛下，1800-3000℃进行石墨化处理；去胶的同时，提高碳纤维的石墨化度。步骤(2)中所述碳纸预制件的制备方法包括如下步骤：①将石墨化处理的碳纤维切断成长度为10-100mm的碳纤维；②利用双辊纤维开松机对短切碳纤维进行开松，利用空气为分散介质，采用高速回转的辊筒，将纤维原料分散为单根纤维状态，再通过气流输纤机将短切碳纤维带入气流梳理机中对碳纤维进一步梳理，随后通过成网工艺，形成无纺纸页；③采用热熔胶对无纺纸页在100-150℃进行粘合，并在80-120℃下进行干燥，成卷卷取，获得碳纸预制件。步骤(2)②中所述辊筒的转速为3000-7500转/分钟；所述气流传输纤机与气流梳理机采用压缩空气为介质，气体流速为5-40m/s；所述成网工艺采用震动给纤机和真空吸沉铺网机配合使用，强制短切碳纤维沉降，其中震动频率为800-1200r/min，真空吸力为800-2000Pa；所述无纺纸页的厚度为0.01-0.3mm。步骤(2)③中所述热熔胶为LDPE、HDPE粉末中的一种或两者的混合；通过撒粉的方式均匀分布在无纺纸页，在温度为100-150℃进行粘合。步骤(3)中所述碳化的过程为：采用酚醛树脂或者沥青树脂，对单层或多层叠层碳纸预制体进行浸渍，并在180-220℃下固化2-8小时；随后在氮气保护气氛下，温度为600-1000℃时进行碳化；根据燃料电池的性能要求，控制浸渍-固化-碳化循环次数为1-5次。步骤(4)中所述化学气相沉积的过程为：将碳化处理的碳纸预制件放在化学气相沉积炉中，对反应炉内抽真空，当压力小于1000Pa时，开始升温，当温度到900-1150℃后，通入丙烯和氮气混合气体，丙烯的流量为2-3L/min，丙烯与氮气的流量比为1:2，沉积压力为1000Pa，通过控制保温时间10-100h来控制复合材料的最终密度和孔隙率。步骤(5)中所述提纯处理的方法为：将经过化学气相沉积处理的碳纸预制件浸入含氟或含氯的化学试剂中，在温度为20-80℃条件下对进行提纯处理2-30min，消除碳纸中存在的金属和非金属元素，随后在氩气保护气氛下，1800-2700℃高温对碳纸进行石墨化处理，进一步提高碳纸的性能。所述含氟或含氯的化学试剂为：氟利昂、氢氟酸、次氯酸、盐酸中的一种或多种；所述试剂的质量浓度为0.01-5％。本专利技术有益的技术效果在于：(1)相对于传统的碳纤维纸预制件的制造方法，采用干法技术提高了长度较长的短切碳纤维的分散性。(2)相对于传统的碳纤维纸预制件的制造方法，采用干法技术提高了碳纤维纸中碳纤维的长度，更有利于获得高强度的碳纸强度。(3)采用干法技术制备的碳纤维纸预制体内部碳纤维和孔隙分布均匀，从而使得获得的碳纤维纸性能均一。(4)同时采用浸渍-固化-碳化和化学气相沉积法，有利于根据燃料电池的性能要求调整碳纤维纸的性能。(5)采用化学提纯法和高温石墨化法，可以进一步提升碳纤维纸的性能。(6)本专利技术制备的燃料电池用碳纤维纸具有优良的电学性能、导热性能，同时还具有强度好、模量高等一系列优点。具体实施方式下面结合实施例，对本专利技术进行具体描述。实施例1：一种燃料电池用碳纤维纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)采用质量比为3:7的T700-48K和T300-48K碳纤维为原材料，通过2400℃高温石墨化处理后，切断成50mm的短纤维；(2)利用双辊纤维开松机对短切碳纤维进行开松，利用空气为分散介质，采用转速为6000转/分钟的高速回转辊筒，将纤维原料分散为单根纤维状态，再通过流速为20m/s的气流输纤机将短切碳纤维带入气流梳理机中对碳纤维进一步梳理，随后采用震动频率为960r/min的震动给纤机配合真空吸力为1000Pa的真空铺网机，强制短切碳纤维沉降，形成0.080mm无纺纸页；最后，采用LDPE热熔胶对无纺纸页在120℃进行粘合，并在80℃下进行干燥，成卷卷取，获得碳纸预制件。(3)采用酚醛树脂对3层碳纸预制件进行浸渍，并在180℃固化4小时，随后在氮气保护气氛下，温度为900℃时进行碳化；重复浸渍-固化-碳化工艺一次本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池用碳纤维纸，其特征在于，所述碳纤维纸的厚度为0.10‑0.30mm，体积密度为0.30‑0.60g/cm

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池用碳纤维纸，其特征在于，所述碳纤维纸的厚度为0.10-0.30mm，体积密度为0.30-0.60g/cm3，孔隙率为60-90％；厚度方向的电阻率≤0.16Ω·cm，平面方向的电阻率≤0.01Ω·cm；室温下导热系数：垂直方向≥1.7W/(m·K)，平行方向≥21W/(m·K)；气体透过率≤50mmH2O/mm。2.一种权利要求1所述燃料电池用碳纤维纸的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)碳纤维石墨化处理；(2)采用干法造纸法制备碳纸预制件；(3)对碳纸预制件进行碳化处理；(4)将碳化处理的碳纸预制件进行化学气相沉积；(5)对经过化学气相沉积处理的碳纸预制件进行提纯处理和石墨化处理，最终制得所述燃料电池用碳纤维纸。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述石墨化处理的条件为：将碳纤维在氩气保护气氛下，1800-3000℃进行石墨化处理；去胶的同时，提高碳纤维的石墨化度。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述碳纸预制件的制备方法包括如下步骤：①将石墨化处理的碳纤维切断成长度为10-100mm的碳纤维；②利用双辊纤维开松机对短切碳纤维进行开松，利用空气为分散介质，采用高速回转的辊筒，将纤维原料分散为单根纤维状态，再通过气流输纤机将短切碳纤维带入气流梳理机中对碳纤维进一步梳理，随后通过成网工艺，形成无纺纸页；③采用热熔胶对无纺纸页在100-150℃进行粘合，并在80-120℃下进行干燥，成卷卷取，获得碳纸预制件。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)②中所述辊筒的转速为3000-7500转/分钟；所述气流传输纤机与气流梳理机采用压缩空气为介质，气体流速为5-40m/s；所述成网工艺采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪梦程，
申请(专利权)人：缪梦程，
类型：发明
国别省市：江苏,32