一种质子交换膜燃料电池用的多孔碳纤维纸及其制备方法技术

一种质子交换膜燃料电池用的多孔碳纤维纸及其制备方法，涉及一种电极材料及其制备方法。该多孔碳纤维纸的主要原料包括短切碳纤维和热粘结纤维，其重量比为２０～７０∶８０～３０，本发明专利技术采用上述原料抄纸，经热压及高温炭化制成多孔碳纤维纸，与以往制造方法相比，本发明专利技术减少了一道浸渍含碳树脂工序，降低了制造成本，并且制成的多孔碳纤维纸的气孔分布均匀、透气度高、强度好、电阻率低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电极材料及其制备方法，尤其涉及。
技术介绍
质子交换膜燃料电池是一种将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的装置，是一种无噪音、无污染、寿命长、比功率大、能量效率高的清洁能源。质子交换膜燃料电池电极由气体扩散层和催化剂层组成。目前，扩散层材料大多采用多孔碳纤维纸或碳布，它起支撑催化剂层，稳定电极结构的作用并为电极反应提供气体通道，电子通道和排水通道。以往多孔碳纤维纸的制造方法是用短切碳纤维为原料，添加聚乙烯醇、醋酸乙烯等作粘结剂抄成纸后，浸渍可炭化树脂，经热压和高温炭化而成。工艺过程复杂，树脂的不均匀或过量还会导致制成碳纤维纸孔分布不均和透气度低等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种制备工艺简单、成本低、孔结构分布均匀，具有较高透气性和良好导电性的质子交换膜燃料电池用的多孔碳纤维纸及其制备方法。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案一种质子交换膜燃料电池用的多孔碳纤维纸，其原料包含短切碳纤维和热粘结纤维，所述的短切碳纤维与热粘结纤维的重量比为20～70∶80～30，优选为30～60∶70～40，更优选为35～55∶65～45。所述的短切碳纤维为聚丙烯氰基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维之一或其组合物。所述的热粘结纤维为具有热粘结性能的可炭化短纤维，具体为聚丙烯腈纤维、沥青纤维或聚酰亚胺纤维。所述的短切碳纤维直径为6～20μm，平均长度为3～10mm，优选为直径7～12μm，平均长度为4～6mm；所述的热粘结纤维直径为8～20um，平均长度为2～10mm，优选为直径为10～15um，平均长度为3～6mm。上述多孔碳纤维纸的制备方法，包括以下工艺步骤A.短切碳纤维中加入重量百分含量为0.2～1.0％的分散剂水溶液，优选为0.5～0.8％，经高速搅拌分散均匀，制成短切碳纤维浆液，所述的分散剂为甲基纤维素、羟乙基纤维素纳或羧甲基纤维素；B.热粘结纤维在水中搅拌并分散均匀后，加入到短切碳纤维浆液中，添加纤维总重量8～20％的粘结剂，优选为10～15％，混合均匀制得造纸混合浆液，所述的粘结剂聚乙烯醇溶液、醋酸乙烯纤维或聚乙烯醇短纤维；C.采用常规湿法造纸工艺抄纸，并在80～120℃温度下干燥，优选为80～95℃；D.将抄成的纸在220～280℃、0.6～1.5MPa的压力下热压0.3～1.5分钟，得到表面平整的中间产品，优选为在240～260℃、1.0～1.5MPa的压力下热压0.5～1.0分钟；E.将上述中间产品在1500～2500℃的温度下及惰性气氛中炭化0.3～2.0小时，制成多孔碳纤维纸，优选为在1800～2400℃的温度下炭化0.5～1.5小时，更优选为在2000～2200℃的温度下炭化0.8～1.0小时；如上所述，由于在本专利技术的多孔碳纤维纸制备方法中采用了热粘结纤维作为主要原料之一，该热粘结纤维在碳纤维纸的成型和炭化后既起粘结碳纤维的作用，同时它自身又能被炭化，而具有良好的导电性且该热粘胶纤维在水相中能均匀分散，保证了它在碳纤维纸中的均匀分布，使碳纤维纸孔分布均匀、透气度高，克服了传统方法制备碳纤维纸由于树脂浸渍的不均匀性而造成的孔分布不均，透气度较差的缺点，并且简化了制造工艺、降低了制造成本。具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的说明。用作燃料电池气体扩散层材料的多孔碳纤维纸，其电阻率和孔隙率是其主要的性能指标。电阻率低可使电池组件的内阻降低，孔均匀且孔隙率高，能使燃料气体均匀分散地通过。基于这样的构思，本专利技术提供的用于燃料电池电极气体扩散层的多孔碳纤维纸，除选用短切碳纤维外，还采用了具有热粘结性能的可炭化短纤维。为使短切碳纤维在水相中均匀分散，其纤维长度的选择很重要，否则将很难达到理想分散效果，研究表明，短切碳纤维在3～10mm范围内，添加浓度为0.2～1.0％的分散剂，并采用高速搅拌设备可以达到理想的分散效果，热粘结纤维与短切碳纤维浆液充分混合抄纸，可保证制得的碳纤维纸孔隙分布均匀，确保了气体的均匀扩散。下面，是本专利技术的几个具体实例，所述的原料配比均指重量份数。实施例1将选择的直径6μm，平均纤维长度10mm的聚丙烯氰基碳纤维20份，加入到浓度为0.2％的羧甲基纤维素水溶液中，采用高速搅拌机将其分散。另取直径8μm，平均纤维长度10mm的聚丙烯氰纤维80份，放入水中搅拌分散后倒入短切碳纤维浆液中，加入5％浓度聚乙烯醇溶液40份混合均匀后，用湿法造纸工艺抄纸并用80℃热风干燥，用热压机使其在220℃温度0.6Mpa的压力下热压1.5分钟，得到中间产品。将上述中间产品在氩气保护及1500℃温度下炭化2小时，制得多孔碳纤维纸。该纸的厚度0.25mm，密度0.37g/cm3面积重量92.5g/m2，透气度298L/m2·s，电阻率0.029Ω·cm。实例2将选择的直径7μm，平均纤维长度4mm的沥青基碳纤维42份，加入到浓度为0.5％的甲基纤维素水溶液中，采用高速搅拌机将其分散。另取直径10μm，平均纤维长度4mm的聚酰亚胺纤维58份，放入水中搅拌分散后倒入短切碳纤维浆液中，加入5％浓度聚乙烯醇溶液50份混合均匀后，用湿法造纸工艺抄纸并用90℃热风干燥，用热压机使其在250℃温度1.0Mpa的压力下热压1.0分钟，得到中间产品。将上述中间产品在氩气保护及2000℃温度下炭化1.3小时，制得多孔碳纤维纸。该纸的厚度0.19mm，密度0.42g/cm3面积重量79.8g/m2，透气度309L/m2·s，电阻率0.016Ω·cm。实例3将选择的直径12μm，平均纤维长度6mm的粘胶基碳纤维39份，加入到浓度为0.8％的羟乙基纤维素纳水溶液中，采用高速搅拌机将其分散。另取直径15μm，平均纤维长度6mm的沥青纤维61份，放入水中搅拌分散后倒入短切碳纤维浆液中，加入聚乙烯醇短纤维15份，混合均匀后，用湿法造纸工艺抄纸并用95℃热风干燥，用热压机使其在260℃温度1.0Mpa的压力下热压1.0分钟，得到中间产品。将上述中间产品在氩气保护及2200℃温度下炭化1小时，制得多孔碳纤维纸。该纸的厚度0.20mm，密度0.42g/cm3面积重量84.0g/m2，透气度339L/m2·s，电阻率0.019Ω·cm。实施例4将选择的直径13μm，平均纤维长度7mm的聚丙烯氰基碳纤维45份，加入到浓度为0.6％的羧甲基纤维素水溶液中，采用高速搅拌机将其分散。另取直径12μm，平均纤维长度5mm的聚丙烯氰纤维55份，放入水中搅拌分散后倒入短切碳纤维分散浆液中，加入聚乙烯醇短纤维14份混合均匀后，用湿法造纸工艺抄纸并用90℃热风干燥，用热压机使其在250℃温度1.2Mpa的压力下热压0.8分钟，得到中间产品。将上述中间产品在氩气保护及2100℃温度下炭化0.9小时，制得多孔碳纤维纸。该纸的厚度0.22mm，密度0.40g/cm3面积重量88.0g/m2，透气度286L/m2·s，电阻率0.015Ω·cm。实施例5将选择的直径20μm，平均纤维长度3mm的聚丙烯氰基碳纤维70份，加入到浓度为1.0％的羟乙基纤维素纳水溶液中，采用高速搅拌机将其分散。另取直径15μm，平均纤维长度7mm的沥青纤维30份，放入水中搅拌分散后倒入短切碳纤维分散浆液中，加入醋酸乙烯12份混合均匀后，用湿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质子交换膜燃料电池用的多孔碳纤维纸，其特征在于：其原料包含短切碳纤维和热粘结纤维，所述的短切碳纤维与热粘结纤维的重量比为２０～７０∶８０～３０。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王虹，李荣年，汤人望，施南飞，
申请(专利权)人：浙江省普瑞科技有限公司，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]