一种燃料电池碳纸的制作方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池碳纸的制作方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一、将导电碳纤维和聚吡咯纳米纤维制成导电无纺布；步骤二、将氧化石墨烯纤维、聚乙烯醇纤维、超支化聚氨酯、二茂铁乙炔、二茂铁基离子液体加入水中制成混合浆料；步骤三、碳纸原纸的制备；步骤四、经防水涂料涂布处理，制备表面疏水的微孔层，烘干后即得燃料电池碳纸。本发明专利技术公开的燃料电池碳纸的制作方法简单易操作，成本低廉，制作效率和成品良率高，制备得到的燃料电池碳纸综合性能优异。

A Manufacturing Method of Fuel Cell Carbon Paper

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池碳纸的制作方法
本专利技术属于燃料电池
，涉及一种燃料电池部件，尤其涉及一种燃料电池碳纸的制作方法。
技术介绍
随着经济的发展及人们对能源问题认识上的深入，作为一种新型能源装置的燃料电池，具有高效、洁净，功率密度和能源转换效率高，启动快，无污染，体积轻巧，对压力变化不敏感及电池寿命长等诸多优点，被认为是首选的洁净、高效的发电装置。碳纸是制备燃料电池电极扩散层的重要材料，具有均匀的多孔质结构，良好的强度和优异的导电性能，是燃料电池的核心部件，可起到支撑催化层，为电极反应提供电子通道、气体通道及排水通道的作用。因此，开发性能优异的燃料电池碳纸是业内研究的热点课题。目前，常见的燃料电池碳纸主要是复合碳纸材料，它由碳纤维、木浆、纤维素纤维或聚乙烯酸短纤维等可碳化纤维相混合，制成纸浆，然后制成碳纸，这种工艺制得的碳纸，由于其为了保证碳纸的强度，在其中加入了较多的非导电性材料，其碳纤维含量均低于90％，导致其电阻率较大，孔隙率及其结构不够合理，且由于碳纤维表面能低，与水的润湿性差，导致碳纸排水困难，容易造成水淹，降低了碳纸的使用寿命，并导致电池的电流效率下降。2002年申请的日本专利JP2003323897介绍了一种具有高电导性和柔韧性的电极材料和碳纸材料，碳纸包括碳纤维和酸基团取代水溶性苯胺导体聚合物，聚合物还带有硫或羧基团。在以上制备方法主要是采用湿法造纸成型法制造碳纸，此种方法虽然工艺技术成熟，由于均需通过浸渍树脂对碳纤维进行粘合，炭化赋予碳纸较好的强度，故制备碳纸的后处理工序较较多，其不足之处可以归纳为：生产工艺复杂，繁琐，不宜操作。树脂浸渍的均匀性问题会影响到成品碳纸的均匀性。生产工艺属于高耗能工艺，而且有些环节属于重复耗能。用此种方法生产碳纸，所用原料为碳纤维，在制造碳纤维时就需要高温炭化，在制造碳纸时也需要高温炭化，这就属于二次能耗。因此，寻求一种产品质量易于控制，工艺简单，节能环保的燃料电池碳纸制作方法成为目前急需解决的一个关键问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足而提供一种燃料电池碳纸的制作方法；该制作方法简单易操作，成本低廉，制作效率和成品良率高，解决了现有技术中制作的燃料电池碳纸生产工艺复杂，繁琐，不宜操作，生产工艺属于高耗能工艺，而且有些环节属于重复耗能，且其电阻率较大，孔隙率及其结构不够合理，由于碳纤维表面能低，与水的润湿性差，导致碳纸排水困难，容易造成水淹，降低碳纸的使用寿命，并导致电池的电流效率下降的缺陷，制备得到的燃料电池碳纸综合性能优异。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种燃料电池碳纸的制作方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一、导电无纺布的制备：将导电碳纤维和聚吡咯纳米纤维铺网，然后进行针刺成型处理，再经过热轧机热轧，得到导电无纺布；步骤二、混合浆料的制备：将氧化石墨烯纤维、聚乙烯醇纤维、超支化聚氨酯、二茂铁乙炔、二茂铁基离子液体放入带搅拌器的分散桶中，加入适量水，搅拌分散1-3小时，形成混合浆料；步骤三、碳纸原纸的制备：将经过步骤二制备得到的混合浆料涂覆在经过步骤一制备得到的导电无纺布上，再放入干燥箱在90-130℃下烘干30-70分钟；得到碳纸原纸；步骤四、碳纸成型：将步骤三制成的碳纸原纸经烘缸干燥，再进行热压处理，然后经防水涂料涂布处理，制备表面疏水的微孔层，烘干后即得燃料电池碳纸。进一步地，步骤一中所述导电碳纤维和聚吡咯纳米纤维的质量比为(2-3):1。优选地，所述热轧机热轧，控制参数如下：所述热轧机的压力为4.5-5.5N，吸风温度550-650℃，冷风温度为650-680℃，上辊温度135-143℃，下辊温度130-135℃。进一步地，步骤二中所述氧化石墨烯纤维、聚乙烯醇纤维、超支化聚氨酯、二茂铁乙炔、二茂铁基离子液体、水的质量比为(1-2):1:0.5:0.01:0.02:(80-120)。进一步地，所述二茂铁基离子液体的制备方法，包括如下步骤：将2-氯甲基噻吩、(±)-N,N-二甲基-1-二茂铁基乙胺加入到有机溶剂中，在40-60℃下搅拌反应6-8小时，然后旋蒸除去溶剂，并用乙醚洗涤数次，旋蒸除去乙醚，得到二茂铁基离子液体。优选地，所述2-氯甲基噻吩、(±)-N,N-二甲基-1-二茂铁基乙胺、有机溶剂的质量比为1:1.94:(10-15)。优选地，所述有机溶剂选自乙醚、乙酸乙酯、丙酮中的至少一种。优选地，步骤三中所述混合浆料的涂覆量为3-5g/m2。优选地，步骤四中所述防水涂料的成分为疏水性树脂和炭黑，疏水性树脂和炭黑的质量比(5-7):3，所述疏水性树脂为聚四氟乙烯、石油树醋或环氧树脂中的一种或几种的组合，所述炭黑粒径为200-400目。优选地，步骤四中所述微孔层的加载量为2-3g/m2。由于上述技术方案运用，本专利技术专利与现有技术相比具有下列优点：该制作方法简单易操作，成本低廉，制作效率和成品良率高，解决了现有技术中制作的燃料电池碳纸生产工艺复杂，繁琐，不宜操作，生产工艺属于高耗能工艺，而且有些环节属于重复耗能，且其电阻率较大，孔隙率及其结构不够合理，由于碳纤维表面能低，与水的润湿性差，导致碳纸排水困难，容易造成水淹，降低碳纸的使用寿命，并导致电池的电流效率下降的缺陷，制备得到的燃料电池碳纸综合性能优异，具有较高的社会价值、生态价值和经济价值；多种原料进行功能复配，使产品在导电性、物理强度和孔径均匀分布等各项指标得到有效的控制；采用先制作无妨布再涂覆浆料制成，节省了能源。具体实施方式本专利技术涉及一种燃料电池碳纸的制作方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一、导电无纺布的制备：将导电碳纤维和聚吡咯纳米纤维铺网，然后进行针刺成型处理，再经过热轧机热轧，得到导电无纺布；步骤二、混合浆料的制备：将氧化石墨烯纤维、聚乙烯醇纤维、超支化聚氨酯、二茂铁乙炔、二茂铁基离子液体放入带搅拌器的分散桶中，加入适量水，搅拌分散1-3小时，形成混合浆料；步骤三、碳纸原纸的制备：将经过步骤二制备得到的混合浆料涂覆在经过步骤一制备得到的导电无纺布上，再放入干燥箱在90-130℃下烘干30-70分钟；得到碳纸原纸；步骤四、碳纸成型：将步骤三制成的碳纸原纸经烘缸干燥，再进行热压处理，然后经防水涂料涂布处理，制备表面疏水的微孔层，烘干后即得燃料电池碳纸。进一步地，步骤一中所述导电碳纤维和聚吡咯纳米纤维的质量比为(2-3):1；所述热轧机热轧，控制参数如下：所述热轧机的压力为4.5-5.5N，吸风温度550-650℃，冷风温度为650-680℃，上辊温度135-143℃，下辊温度130-135℃。进一步地，步骤二中所述氧化石墨烯纤维、聚乙烯醇纤维、超支化聚氨酯、二茂铁乙炔、二茂铁基离子液体、水的质量比为(1-2):1:0.5:0.01:0.02:(80-120)；所述二茂铁基离子液体的制备方法，包括如下步骤：将2-氯甲基噻吩、(±)-N,N-二甲基-1-二茂铁基乙胺加入到有机溶剂中，在40-60℃下搅拌反应6-8小时，然后旋蒸除去溶剂，并用乙醚洗涤数次，旋蒸除去乙醚，得到二茂铁基离子液体；所述2-氯甲基噻吩、(±)-N,N-二甲基-1-二茂铁基乙胺、有机溶剂的质量比为1:1.94:(10-15)；所述有机溶剂选自乙醚、乙酸乙酯、丙酮中的至少一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池碳纸的制作方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一、导电无纺布的制备：将导电碳纤维和聚吡咯纳米纤维铺网，然后进行针刺成型处理，再经过热轧机热轧，得到导电无纺布；步骤二、混合浆料的制备：将氧化石墨烯纤维、聚乙烯醇纤维、超支化聚氨酯、二茂铁乙炔、二茂铁基离子液体放入带搅拌器的分散桶中，加入适量水，搅拌分散1‑3小时，形成混合浆料；步骤三、碳纸原纸的制备：将经过步骤二制备得到的混合浆料涂覆在经过步骤一制备得到的导电无纺布上，再放入干燥箱在90‑130℃下烘干30‑70分钟；得到碳纸原纸；步骤四、碳纸成型：将步骤三制成的碳纸原纸经烘缸干燥，再进行热压处理，然后经防水涂料涂布处理，制备表面疏水的微孔层，烘干后即得燃料电池碳纸。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池碳纸的制作方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一、导电无纺布的制备：将导电碳纤维和聚吡咯纳米纤维铺网，然后进行针刺成型处理，再经过热轧机热轧，得到导电无纺布；步骤二、混合浆料的制备：将氧化石墨烯纤维、聚乙烯醇纤维、超支化聚氨酯、二茂铁乙炔、二茂铁基离子液体放入带搅拌器的分散桶中，加入适量水，搅拌分散1-3小时，形成混合浆料；步骤三、碳纸原纸的制备：将经过步骤二制备得到的混合浆料涂覆在经过步骤一制备得到的导电无纺布上，再放入干燥箱在90-130℃下烘干30-70分钟；得到碳纸原纸；步骤四、碳纸成型：将步骤三制成的碳纸原纸经烘缸干燥，再进行热压处理，然后经防水涂料涂布处理，制备表面疏水的微孔层，烘干后即得燃料电池碳纸。2.根据权利要求1所述的燃料电池碳纸的制作方法，其特征在于，步骤一中所述导电碳纤维和聚吡咯纳米纤维的质量比为(2-3):1。3.根据权利要求1所述的燃料电池碳纸的制作方法，其特征在于，所述热轧机热轧，控制参数如下：所述热轧机的压力为4.5-5.5N，吸风温度550-650℃，冷风温度为650-680℃，上辊温度135-143℃，下辊温度130-135℃。4.根据权利要求1所述的燃料电池碳纸的制作方法，其特征在于，步骤二中所述氧化石墨烯纤维、聚乙烯醇纤维、超支化聚氨酯、二茂铁乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：田文迪，王永霞，田丙伦，傅婧，乔锦丽，
申请(专利权)人：上海博暄能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31