一种燃料电池气体扩散层用碳纸前驱体的制备方法技术

本发明专利技术提供一种燃料电池气体扩散层用碳纸前躯体的制备方法，属于燃料电池制备技术领域。所述制备方法包括将不同长度的碳纤维与纳米纤维素混合分散，加入助留剂提高细小纤维的留着率，然后通过湿法成型技术得到碳纤维纸湿纸幅，再通过真空负压抽吸工艺将树脂浸入碳纸中，真空干燥后得到碳纸前驱体。本发明专利技术中添加少量的纳米纤维素能够显著提高碳纤维的分散性，从而制备结构均匀的碳纸；纳米纤维素又能在碳纤维之间形成氢键结合，使碳纸具有优异的机械强度和结构稳定性；纳米纤维素不会破坏碳纸的多孔结构，使其具有高透气度，因此具有良好的实际应用之价值。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池气体扩散层用碳纸前驱体的制备方法
本专利技术属于燃料电池制备
，具体涉及一种燃料电池气体扩散层用碳纸前躯体的制备方法。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。质子交换膜燃料电池是一种洁净、高效、简单的绿色能源装置，使用氢气、甲醇、乙醇等可再生资源代替常规化石燃料，被认为是最有前景的环保能源，通过外界持续地输入燃料，经过电化学反应，将燃料的化学能直接转化为电能，进而不断向外供电，能够缓解电力建设供应紧张的局面、解决能源枯竭的困境、同时减少了环境污染等问题，燃料电池技术可应用于航空航天、汽车发动、可移动电源等领域。气体扩散层是质子交换膜燃料电池中的重要组件，起到支撑催化剂层并提供反应气体和生成物水的通道，同时还要具备良好的导电性能及在电化学反应下的抗腐蚀能力。由于碳纤维材料兼顾较高的导电性和较强的抗电腐蚀性能，且成本较低，已广泛应用于燃料电池气体扩散层。目前用于气体扩散层的碳纤维材料主要分为碳纤维编织布、碳纤维无纺布和碳纤维纸三种。碳纤维编织布是以碳纤维纱线为原料，通过纺纱工艺对纱线加捻后编织而成。中国专利CN101024910A提出了一种燃料电池用机织碳布气体扩散层。由于采用了编织结构，经线和纬线之间存在均匀的宏观孔隙，可通过控制编织布的厚度来调节孔隙率。碳纤维编织布强度高且具有弯曲柔性。纤维单丝具有一定的断裂伸长系数，在平面方向上具有一定的弹性，可以承载一定的压力。但是，专利技术人发现，编织结构也存在平面方向易伸缩，产生较大的变形等问题。此外，碳纤维编织物表面平整度较差，催化剂附着不均匀，给燃料电池的稳定性带来影响。因此，碳纤维编织布并不是理想的扩散层材料。碳纤维无纺布是将短切纤维或者长丝进行定向或随机分布，与有机聚合物一起形成均匀的网状结构，然后采用机械或化学等方法进行加固。为了达到更优异的性能，可以添加碳填料以降低其电阻率或添加疏水材料增强水的排出。日本东丽公司在专利CN105829593A中公开了一种用于气体扩散电极的碳纤维无纺布，这种无纺布材料弥补了碳纤维纸的脆性大和碳纤维编织布的易变形的缺点，孔隙率可根据需要从原料阶段进行控制。但专利技术人发现，其工艺较为复杂，强度较差，容易从直角方向开裂，很难达到燃料电池对耐久性的要求。碳纤维纸是首先通过湿法造纸工艺制备具有多孔三维网状结构的前驱体材料，然后再经过碳化、石墨化等热加工工艺形成气体扩散层用碳纸。由于碳纤维表面缺乏活性基团，在成型后纤维之间无法形成强度，因此需要在抄造过程中加入粘合纤维或粘合剂来提高碳纸前驱体的机械强度。中国专利CN101047253A提出了一种燃料电池气体扩散层用的碳纤维纸，通过在造纸过程中引入丙烯酸类纤维作为粘结纤维与碳纤维分散体混合抄造制成。这种工艺为了保证碳纸前躯体的强度，在抄造过程中加入了大量的热粘结纤维。然而，专利技术人发现，具有绝缘性质的热粘结纤维严重地损害了碳纸的导电性。此外，在后续的热处理过程中热粘结纤维会收缩、变形，从而对碳纤维纸的结构造成破坏。中国专利CN1986961A提出了一种碳纳米管/丙烯腈基碳纤维复合碳纸的制备工艺。该专利技术以丙烯腈基碳纤维为主体，碳纳米管为功能填料，两者通过打浆充分混合，然后在分散过程中添加聚丙烯酰胺等高分子粘合剂，通过湿法造纸工艺制得复合碳纤维纸。尽管粘合剂的添加为碳纸前驱体提供了一定的物理强度，但专利技术人发现，其同时降低了碳纤维纸的透气度和碳含量。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种燃料电池气体扩散层用碳纸前驱体的制备方法，本专利技术在制备过程中添加少量的纳米纤维素能够显著提高碳纤维的分散性，从而制备结构均匀的碳纸；纳米纤维素又能在碳纤维之间形成氢键结合，使碳纸具有优异的机械强度和结构稳定性；纳米纤维素不会破坏碳纸的多孔结构，使其具有高透气度，从而最终制得可以具有高纯度、高孔隙率、良好导电性和高结构稳定性的碳纤维纸，因此具有良好的实际应用之价值。具体的，本专利技术涉及以下技术方案：本专利技术的第一个方面，提供一种燃料电池气体扩散层用碳纸前驱体的制备方法，所述制备方法包括：S1、碳纤维分散液的制备：将纤维长度不同的短碳纤维、长碳纤维与纳米纤维素混合后加入助留剂进行疏解分散处理得碳纤维分散液；S2、碳纤维纸的成型：采用湿法成型工艺，将步骤S1中的碳纤维分散液置于成型装置中，真空脱水使碳纤维分散液通过滤网，从而在滤网表面形成碳纤维湿纸幅；S3、浸渍树脂：在碳纤维湿纸幅一侧施加树脂，同时采用真空负压在碳纤维纸另一侧进行抽吸，使树脂浸入碳纤维纸中；真空干燥即得。本专利技术的第二个方面，提供上述制备方法获得的碳纤维纸前驱体。本专利技术的第三个方面，提供一种碳纤维纸，所述碳纤维纸由上述碳纤维纸前驱体经碳化、石墨化处理即得。采用本专利技术制备方法最终制得的碳纤维纸具有高匀度，高透气度，优异导电性，稳定多孔结构以及高碳含量，能够有效满足燃料电池气体扩散层的性能要求。本专利技术的第四个方面，提供一种燃料电池气体扩散层，所述燃料电池气体扩散层包含上述碳纤维纸。本专利技术的第五个方面，提供一种燃料电池，所述燃料电池包含上述燃料电池气体扩散层和/或上述碳纤维纸。以上一个或多个技术方案的有益技术效果：1.制备的碳纤维纸前驱体中包含长度不同的碳纤维，这些碳纤维相互搭接，形成优良的导电体系，又具有分布均匀的孔隙，克服了传统气体扩散层用碳纸电阻率、孔隙率以及均匀度等方面的缺点。2.添加少量的纳米纤维素能够显著提高碳纤维的分散性，从而制备结构均匀的碳纸；纳米纤维素又能在碳纤维之间形成氢键结合，使碳纸具有优异的机械强度和结构稳定性；纳米纤维素不会破坏碳纸的多孔结构，使其具有高透气度。3.在制备过程中加入助留剂能够有效提高细小纤维的留着率，减少了纳米纤维素的添加量，进一步提高了碳纸的纯度和碳含量。因此具有良好的实际应用之价值。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。结合具体实例对本专利技术作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本专利技术，并不对其内容进行限定。如果实施例中未注明的实验具体条件，通常按照常规条件，或按照销售公司所推荐的条件；实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可通过商业途径购买得到。如前所述，气体扩散层是质子交换膜燃料电池中的重要组件，目前用于气体扩散层的碳纤维材料主要分为碳纤维编织布、碳纤维无纺布和碳纤维纸三种，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池气体扩散层用碳纸前驱体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：/nS1、碳纤维分散液的制备：将纤维长度不同的短碳纤维、长碳纤维与纳米纤维素混合后加入助留剂进行疏解分散处理得碳纤维分散液；/nS2、碳纤维纸的成型：采用湿法成型工艺，将步骤S1中的碳纤维分散液置于成型装置中，真空脱水使碳纤维分散液通过滤网，从而在滤网表面形成碳纤维湿纸幅；/nS3、浸渍树脂：在碳纤维湿纸幅一侧施加树脂，同时采用真空负压在碳纤维纸另一侧进行抽吸，使树脂浸入碳纤维纸中；真空干燥即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池气体扩散层用碳纸前驱体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
S1、碳纤维分散液的制备：将纤维长度不同的短碳纤维、长碳纤维与纳米纤维素混合后加入助留剂进行疏解分散处理得碳纤维分散液；
S2、碳纤维纸的成型：采用湿法成型工艺，将步骤S1中的碳纤维分散液置于成型装置中，真空脱水使碳纤维分散液通过滤网，从而在滤网表面形成碳纤维湿纸幅；
S3、浸渍树脂：在碳纤维湿纸幅一侧施加树脂，同时采用真空负压在碳纤维纸另一侧进行抽吸，使树脂浸入碳纤维纸中；真空干燥即得。


2.如权利要求1所述的制备方，其特征在于，所述步骤S1中，加入助留剂后控制体系浓度为0.1-0.15％。


3.如权利要求1所述的制备方，其特征在于，所述步骤S1中，短碳纤维的长度为0.5-2mm；长碳纤维的长度为3-6mm；
纳米纤维素直径为20～500nm，长径比50～200；
优选地，纳米纤维素的直径为50nm，长径比为150；
短碳纤维、长碳纤维和纳米纤维素的质量比为5-15：80-90：1-3；
助留剂为阳离子淀粉、阳离子聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素中的一种或几种；

【专利技术属性】
技术研发人员：韩文佳，李鸿冰，孔凡功，赵传山，丁其军，李霞，姜亦飞，赵轩，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：山东;37