一种气体扩散层用碳纸及其制备方法、燃料电池技术

为克服现有的燃料电池气体扩散层用碳纸存在孔隙率低和疏水性差的问题，本发明专利技术提供了一种气体扩散层用碳纸，包括由多根碳纤维形成的三维交联的纤维膜，多根所述碳纤维之间形成有大孔，单根所述碳纤维的内部和表面均形成有多个微孔，所述微孔与所述大孔连通。同时，本发明专利技术还公开了上述气体扩散层用碳纸的制备方法、燃料电池。本发明专利技术提供的气体扩散层用碳纸具有较好的透气性和排水性能，有效提高在高电流密度区的电池性能。

【技术实现步骤摘要】
一种气体扩散层用碳纸及其制备方法、燃料电池
本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种气体扩散层用碳纸及其制备方法、燃料电池。
技术介绍
作为燃料电池中的一个重要部件，气体扩散层能够影响反应物与生成物的传递过程及导电特性，进而影响燃料电池性能。目前，气体扩散层基底材料主要有碳纤维纸，碳纤维编织布、无纺布及炭黑纸等，广泛采用的是高性能碳纸。碳纸通常是由碳纤维加适量胶粘剂用抄纸工艺造成纸，再浸渍可炭化树脂、热压固化定型、高温炭化处理制成，碳纸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。理想的气体扩散层应具有如下性质：(1)良好的憎水性能；(2)良好的透气性能；(3)良好的导电性能。憎水性能可通过在导电网上加入憎水剂来实现，而透气性和导电性均与导电网的孔隙度有关，研究表明，碳纸的透气性随孔隙度的增加而增加，但导电性却随着孔隙度的增加而减小，然而良好的透气性对碳纸来说相对更为重要，因此选择孔隙度较大的碳纸是有益的。目前常用的方法是在碳纸中加入微孔层，既可以增加气体扩散层的透气性，又保证了其憎水性和导电性。通常，微孔层是由导电性的炭黑与憎水性的聚四氟乙烯(PTFE)构成，然而，这样的微孔层仍然存在着孔隙率低，气体通道不理想的问题，在大电流放电的情况下，电池性能下降，且在燃料电池长期的运行环境下，炭黑材料逐步发生氧化，使微孔层变得亲水，增加传质极化，缩短了电池的使用寿命和稳定性。气体扩散层在要求具有梯度性的孔隙度和疏水性时，现有技术方案大都是加入不同类型导电剂和粘合剂组成的涂层材料，一般分为两步制备而成，先制备碳纸基底再采用涂层材料制备微孔层，这些制备方法都需要使用憎水剂，提高导电粉末疏水性的同时将导电粉末相互粘结起来。常用憎水剂如聚四氟乙烯、偏聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯等不具有导电性，并且稳定性较差，更重要的是，使用导电粉末制备而成的气体扩散层，孔隙率和平均孔径小，不利于反应气体和水蒸气的传输。导电剂和憎水剂具有改变扩散层孔结构、导电性和疏水性的三重复合作用，但单靠导电剂和憎水剂组成的网络结构来调节燃料电池的微孔层结构，从而获取特殊功能的结构变得非常困难。
技术实现思路
针对现有的燃料电池气体扩散层用碳纸存在孔隙率低和疏水性差的问题，本专利技术提供了一种气体扩散层用碳纸及其制备方法、燃料电池。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案如下：一方面，本专利技术提供了一种气体扩散层用碳纸，包括由多根碳纤维形成的三维交联的纤维膜，多根所述碳纤维之间形成有大孔，单根所述碳纤维的内部和表面均形成有多个微孔，所述微孔与所述大孔连通。可选的，所述碳纤维为石墨化碳纤维。可选的，所述石墨化碳纤维由多孔碳材料和中间相沥青的混合纤维加热转化得到。可选的，所述多孔碳材料选自三维石墨烯、微孔碳或介孔碳中的一种或多种。可选的，所述多孔碳材料为颗粒状，粒径为0.1～1um。可选的，所述微孔的孔径范围为5～50nm。可选的，所述碳纤维的直径为5～20um，所述纤维膜的孔隙率为80％～90％。另一方面，本专利技术提供了如上所述的气体扩散层用碳纸的制备方法，包括以下操作步骤：将多孔碳材料混合到中间相沥青中充分搅拌并溶胀，制得多孔碳材料改性的中间相沥青；将多孔碳材料改性的中间相沥青熔融并纺丝制备初生纤维膜；将初生纤维膜进行预氧化，得到预氧化纤维膜；将预氧化纤维膜在保护气氛下进行热处理，使预氧化纤维膜中的纤维石墨化，得到多根碳纤维形成的三维交联的纤维膜。可选的，在混合所述多孔碳材料之前，对所述多孔碳材料进行粉碎处理，将多孔碳材料粉碎为粒径0.1～1um的颗粒，所述多孔碳材料的孔径范围为5～50nm，将多孔碳材料加入于熔融的中间相沥青中搅拌并溶胀15～30min，再高速剪切90～120min，保持温度为300℃～350℃，得到多孔碳材料改性的中间相沥青。可选的，所述多孔碳材料改性的中间相沥青中，多孔碳材料和中间相沥青的质量比为3～6：100。可选的，采用熔融喷纺或静电纺丝的方式制备所述初生纤维膜。可选的，采用静电纺丝的方式制备所述初生纤维膜，纺丝温度为300℃～350℃，纺丝电压为10～20kV，注射速度为0.3～0.8mm/h，接收板离喷丝口距离为10～20cm，初生纤维膜的厚度为0.5～0.8mm。可选的，所述预氧化操作中，将初生纤维膜以3～6℃/min的速率升温至180～200℃，然后以0.5～2℃/min的速率升温至270～300℃，恒温保持30～60min。可选的，将预氧化纤维膜在保护气氛下进行的热处理包括碳化处理和石墨化处理。可选的，所述碳化处理操作中，在保护气氛下将预氧化纤维膜6～10℃/min的速率升温至500～600℃，保温5～10min，然后以4～6℃/min的速率升温至1200～1400℃，保温30～40min。可选的，所述石墨化处理操作中，在保护气氛下，以20～40℃/min的速率升温至2800～3000℃，保温20～30min。另一方面，本专利技术提供了一种燃料电池，包括如上所述的气体扩散层用碳纸。根据本专利技术提供的气体扩散层用碳纸，通过多根碳纤维三维交联形成纤维膜，在单根碳纤维的内部及表面都形成大量微孔，并与碳纤维之间的大孔相互连通，有效提高了气体扩散层用碳纸的透气性和排水性能，改善其孔隙率和水管理能力，另一方面，碳纤维本身具有较好的导电性能和疏水性，不需额外加入憎水剂，从而提高在高电流密度区的电池性能。附图说明图1是本专利技术实施例1提供的气体扩散层用碳纸的微观视图；图2是本专利技术实施例提供的多孔碳材料的微观视图。具体实施方式为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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气体扩散层用碳纸，包括由多根碳纤维形成的三维交联的纤维膜，多根所述碳纤维之间形成有大孔，单根所述碳纤维的内部和表面均形成有多个微孔，所述微孔与所述大孔连通。所述气体扩散层用碳纸通过多根碳纤维三维交联形成纤维膜，在单根碳纤维的内部及表面都形成大量微孔，并与碳纤维之间的大孔相互连通，有效提高了气体扩散层用碳纸的透气性和排水性能，改善其孔隙率和水管理能力，另一方面，碳纤维本身具有较好的导电性能和疏水性，不需额外加入憎水剂，从而提高在高电流密度区的电池性能。在一些实施例中，所述碳纤维为石墨化碳纤维。相对于普通碳纤维，通过将碳纤维进行石墨化处理，能够有效提高其强度和拉伸模量，从而提高所述气体扩散层用碳纸的力学强度。在更优选的实施例中，所述石墨化碳纤维由多孔碳材料和中间相沥青的混合纤维加热转化得到。其中，所述多孔碳材料在所述石墨化碳纤维中形成微孔，进而提高所述气体扩散层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体扩散层用碳纸，其特征在于，包括由多根碳纤维形成的三维交联的纤维膜，多根所述碳纤维之间形成有大孔，单根所述碳纤维的内部和表面均形成有多个微孔，所述微孔与所述大孔连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种气体扩散层用碳纸，其特征在于，包括由多根碳纤维形成的三维交联的纤维膜，多根所述碳纤维之间形成有大孔，单根所述碳纤维的内部和表面均形成有多个微孔，所述微孔与所述大孔连通。


2.根据权利要求1所述的气体扩散层用碳纸，其特征在于，所述碳纤维为石墨化碳纤维。


3.根据权利要求2所述的气体扩散层用碳纸，其特征在于，所述石墨化碳纤维由多孔碳材料和中间相沥青的混合纤维加热转化得到。


4.根据权利要求3所述的气体扩散层用碳纸，其特征在于，所述多孔碳材料选自三维石墨烯、微孔碳或介孔碳中的一种或多种。


5.根据权利要求3所述的气体扩散层用碳纸，其特征在于，所述多孔碳材料为颗粒状，粒径为0.1～1um。


6.根据权利要求1所述的气体扩散层用碳纸，其特征在于，所述微孔的孔径范围为5～50nm。


7.根据权利要求1所述的气体扩散层用碳纸，其特征在于，所述碳纤维的直径为5～20um，所述纤维膜的孔隙率为80％～90％。


8.如权利要求1～7任意一项所述的气体扩散层用碳纸的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
将多孔碳材料混合到中间相沥青中充分搅拌并溶胀，制得多孔碳材料改性的中间相沥青；
将多孔碳材料改性的中间相沥青熔融并纺丝制备初生纤维膜；
将初生纤维膜进行预氧化，得到预氧化纤维膜；
将预氧化纤维膜在保护气氛下进行热处理，使预氧化纤维膜中的纤维石墨化，得到多根碳纤维形成的三维交联的纤维膜。


9.根据权利要求8所述的气体扩散层用碳纸的制备方法，其特征在于，在混合所述多孔碳材料之前，对所述多孔碳材料进行粉碎处理，将多孔碳材料粉碎为粒径0.1～1um的颗粒，所述多孔碳材料的孔径范围为5～50nm，将多孔碳材料加入于熔融的中间相沥青中搅拌并溶胀15～30min，再高速剪切90～...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱秀洋，杜沁伊，周玉山，裴锋，长世勇，
申请(专利权)人：广州汽车集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44