一种用于质子交换膜燃料电池的多孔碳纤维及其制备方法技术

本发明专利技术适用于电化学能源领域，提供了一种适用于质子交换膜燃料电池的多孔碳纤维及其制备方法。所述制备方法包括以下步骤：对PAN/PLA混合液进行高压静电纺丝处理，获得纺丝纤维；将所述纺丝纤维置于氯仿中进行超声溶剂萃取处理；对经过超声溶剂萃取处理的所述纺丝纤维进行热处理，得到多孔碳纤维。本发明专利技术提供的多孔碳纤维的制备方法，具有快速、简单、低成本、直径可控等特点。所制备的多孔碳纤维可以直接用作气体扩散层，不需额外的憎水处理和涂覆微孔层，有利于降低气体的传质阻力和气体扩散层的制作成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电化学能源领域，尤其涉及一种用于质子交换膜燃料电池的多孔碳纤维及其制备方法。
技术介绍
在众多的可再生清洁能源技术中，质子交换膜燃料电池因其具有能量转换效率高、零污染排放的优点，近年来受到世界各国企业和研究机构的广泛关注。质子交换膜燃料电池系统的核心部分是膜电极(MEA)，膜需要水去维持高的质子电导率从而确保足够高的电池性能，然而在电极中过多的水可能导致电极水淹、阻止电化学反应的发生、降低性能，因此需要维持适当的水平衡。与催化剂相接触的气体扩散层是影响燃料电池系统性能的关键部件之一，它的基本功能是从流道运输反应气到催化层，从流道中排出液态水，传导电子等。然而，质子交换膜燃料电池在其商业化道路中存在如下问题：制作成本高、催化剂中毒、储氢困难以及水淹电极阻止反应气进入等等。在质子交换膜燃料电池中，气体扩散层在水管理和反应气传输中扮演了一个非常重要的角色，它使反应气体分布均匀，管理电池中水含量，支撑催化层，收集电流，为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道。因此，气体扩散层的材料选择至关重要。目前，气体扩散层主要包括碳纸和碳布等多孔材料。多孔碳材料由于具有导电性好、化学和电化学性质相对稳定等特点，被广泛用作质子交换膜燃料电池的气体扩散层。常规的碳纸或碳布需经憎水处理以减少气体扩散层中的水淹，但憎水处理后，碳纸或碳布的孔径会减小，一定程度上增加了氧气传输的阻力。此外，为了减少催化剂在喷涂过程中的损失和强化水管理，常规的碳纸或碳布表面还会涂覆一层由碳粉和聚四氟乙烯(PTFE)形成的微孔层(平均孔径约为1μm)，一定程度上增加了气体扩散层的制作工序和成本。因此，开发新型的气体扩散层，以提高其氧气传质能力和降低其制作成本，是目前该技术的主要发展方向。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供了一种用于质子交换膜燃料电池的多孔碳纤维及其制备方法。所制备的多孔碳纤维可直接用作质子交换膜燃料电池的气体扩散层，不需额外的憎水处理和涂覆微孔层，有利于降低气体的传质阻力和气体扩散层的制作成本。本专利技术是这样实现的，一种多孔碳纤维的制备方法，包括以下步骤：对PAN/PLA混合液进行高压静电纺丝处理，获得纺丝纤维；将所述纺丝纤维置于氯仿中进行超声溶剂萃取处理；对经过超声溶剂萃取处理的所述纺丝纤维进行热处理，得到多孔碳纤维。进一步地，所述PAN/PLA混合液由PAN溶液与PLA溶液混合而成；所述PAN溶液与PLA溶液的溶剂均为DMF。进一步地，所述PAN溶液的质量浓度为5％-11％，所述PLA溶液的质量浓度为3％-5％；所述PAN溶液与PLA溶液的质量比为0.5-4:1。进一步地，所述高压静电纺丝处理的纺丝负压控制在-1-3KV，正压控制在8-16KV。进一步地，所述高压静电纺丝处理的进料速度为1-3mL/h，纺丝距离为8-20cm。进一步地，所述超声溶剂萃取处理的时间为20-50min，超声频率为6-9Hz。进一步地，所述热处理过程包括：在空气条件下进行预氧化处理，再在氩气保护下进行碳化处理。进一步地，所述预氧化处理包括：将温度在2h内从室温升温至250-300℃，保温0.5-2.5h；所述碳化处理包括：在氩气保护下将温度在2h内升温至800-1100℃，保温2h。本专利技术还提供了一种用于质子交换膜燃料电池的多孔碳纤维，所述多孔碳纤维采用上述所述的制备方法制成。本专利技术还提供了一种质子交换膜燃料电池，包括上述所述的多孔碳纤维。本专利技术与现有技术相比，有益效果在于：本专利技术实施例提供的多孔碳纤维的制备方法，以聚丙烯腈(PAN)和聚乳酸(PLA)混合液作为纺丝液，进行静电纺丝处理，利用静电场作用将高压电源加载于所述纺丝液，使纺丝液的分子带有一定密度的静电，当静电斥力足够时溶液被拉伸成纤维，在溶剂挥发的同时纤维固化成型，且纺丝液在静电下被拉伸不断裂，具有较好的成纤型。然后通过对纺丝纤维进行氯仿超声溶剂萃取，在所述纺丝纤维上制造多孔。本专利技术实施例提供的多孔碳纤维的制备方法，快速、简单低成本、且可控制备纳米纤维。所制备的多孔碳纤维可以直接用作质子交换膜燃料电池的气体扩散层，不需额外的憎水处理和涂覆微孔层，有利于降低气体的传质阻力和气体扩散层的制作成本。附图说明图1为本专利技术实施例1中10KV电压纺丝纤维经氯仿处理后的电子扫描显像图(SEM图)；图2为本专利技术实施例2中12KV电压纺丝纤维经氯仿处理后的SEM图；图3为本专利技术实施例2中12KV电压纺丝碳纤维制备的质子交换膜燃料电池的伏安特性曲线图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供了一种多孔碳纤维的制备方法，包括以下步骤：对聚丙烯腈/聚乳酸(PAN/PLA)混合液进行高压静电纺丝处理，获得纺丝纤维；将所述纺丝纤维置于氯仿中进行超声溶剂萃取处理；对经过超声溶剂萃取处理的所述纺丝纤维进行热处理，得到多孔碳纤维。本专利技术实施例提供的多孔碳纤维的制备方法，以聚丙烯腈和聚乳酸混合液作为纺丝液，进行静电纺丝处理，利用静电场作用将高压电源加载于所述纺丝液，使纺丝液的分子带有一定密度的静电，当静电斥力足够时溶液被拉伸成纤维，在溶剂挥发的同时纤维固化成型，且纺丝液在静电下被拉伸不断裂，具有较好的成纤型。然后通过对纺丝纤维进行氯仿超声溶剂萃取，氯仿可溶解纤维上的PLA，在所述纺丝纤维上制造多孔。本专利技术实施例提供的多孔碳纤维的制备方法，快速、简单低成本、且可控制备纳米纤维。所制备的多孔碳纤维，具有大的表面积体积比、且直径可调，所述直径为200～600nm。具体地，所述PAN/PLA混合液由PAN溶液与PLA溶液混合而成；所述PAN溶液与PLA溶液的溶剂均为二甲基甲酰胺(DMF)。所述PAN溶液的质量浓度为5％-11％，优选9％，所述PLA溶液的质量浓度为3％-5％，优选5％；所述PAN溶液与PLA溶液的质量比为0.5～4:1，优选80:20或70:30。通过控制PAN溶液与PLA溶液的浓度及质量比，使静电斥力使溶液被拉伸成纤维的时间与溶剂挥发的时间达到一致，从而快速获得多孔碳纤维。具体地，所述高压静电纺丝处理的纺丝负压控制在-1-3KV，正压控制在8-16KV。所述高压静电纺丝处理的进料速度为1-3mL/h，纺丝距离为8-20cm。通过调节正、负压及进料速度，保证静电斥力足够时溶液被拉伸成纤维，在溶剂挥发的同时纤维固化成型，且纺丝液在静电下被拉伸不断裂，具有较好的成纤型。具体地，所述超声溶剂萃取处理的时间为20-50min，超声频率为6-9Hz。具体地，所述热处理过程包括：在空气条件下进行预氧化处理，再在氩气保护下进行碳化处理。所述预氧化处理包括：将温度在2h内从室温升温至250～300℃，保温0.5～2.5h；所述碳化处理包括：在氩气保护下将温度在2h内升温至800-1100℃，保温2h。本专利技术实施例还提供了一种用于质子交换膜燃料电池的多孔碳纤维，所述多孔碳纤维采用上述的制备方法制成。本专利技术实施例制备的多孔碳纤维，通过对纺丝纤维进行氯仿超声溶剂萃取，在纤维上制造多孔，用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层时，具有较好的氧气传输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对PAN/PLA混合液进行高压静电纺丝处理，获得纺丝纤维；将所述纺丝纤维置于氯仿中进行超声溶剂萃取处理；对经过超声溶剂萃取处理的所述纺丝纤维进行热处理，得到多孔碳纤维。

【技术特征摘要】
1.一种多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：对PAN/PLA混合液进行高压静电纺丝处理，获得纺丝纤维；将所述纺丝纤维置于氯仿中进行超声溶剂萃取处理；对经过超声溶剂萃取处理的所述纺丝纤维进行热处理，得到多孔碳纤维。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述PAN/PLA混合液由PAN溶液与PLA溶液混合而成；所述PAN溶液与PLA溶液的溶剂均为DMF。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述PAN溶液的质量浓度为5％-11％，所述PLA溶液的质量浓度为3％-5％；所述PAN溶液与PLA溶液的质量比为0.5-4:1。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高压静电纺丝处理的纺丝负压控制在-1-3KV，正压控制在8-16KV。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴其兴，黄雨欣，朱晓琳，梅日国，王芳，罗仲宽，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44