高强度碳化纸及其制备方法与用途技术

一种高强度碳化纸及其制备方法及用途，该碳化纸系包含含有氧化纤维及聚酰胺纤维的混纺织物作为补强材，其具良好拉张强度与导电性，且以该碳化纸作为燃料电池的气体扩散层材料时，该燃料电池可提供优异的电池性能。本发明专利技术碳化纸亦可用作抗电磁波材料及补强用复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术关于一种高强度碳化纸及其制造方法与用途；特定言之，本 专利技术系关于一种可制造供燃料电池中的气体扩散层材料用的碳化纸的 方法及由此所提供的碳化纸。
技术介绍
近年来，由于能源短缺及地球温室效应等因素，氢供系统的燃料电 池(fuel cell)的发展已引起人们的注意。其原因主要在于燃料电池 不但没有非充电电池用完即丢弃所导致的环保上的问题，也可免除传统充电电池必需进行耗时充电程序的缺点。此外，燃料电池的排放物(例 如水)对环境也没危害。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)与直接甲醇燃料电池(direct methanol fuel cell, DMFC)由于可在低温下操作，又可产生高电流密度，因此 被广泛应用于许多领域。举例言之，PEMFC可使用于各种运输工具(如 机动车辆、船艇及飞机等)的动力系统，且可作为家用、医院用、以及 办公大楼用的联合发电系统的电源；DMFC则因具有系统结构简单、体积 能量密度高、启动时间短以及燃料补充方便等优点，因此特别适合作为 各种移动式或可携式的动力来源。以PEMFC为例，其每 一 个单电池的主要构件系包括膜电极组 (membrane-electrode assembly, MEA) 以及具有气体流道的双极板 (bipolar plates) 。 MEA通常是由 一 质子交换膜(一般为高分子膜， 作为电解质)、二分别位于该质子交换膜两侧的触媒层、及二分别置于 该二触媒层外侧的气体扩散层(另可称为「电极气体扩散层」)所组成。 其中，可将触媒直接涂覆于质子交换膜两侧，以形成一经触媒涂覆的质 子交换膜，再于该经涂覆质子交换膜两侧各配置一气体扩散层。或者， 可将触媒涂覆于二气体扩散层上，再将质子交换膜配置于该二经触媒涂5覆的气体扩散层之间，以提供一MEA。该MEA则插入二双极板(通常为石 墨材质)之间，再进行外壳的封装，以提供一PEMFC。有关PEMFC的作用机制，大致为使作为燃料的氢气透过气体扩散层 而进入阳极触媒后，藉催化作用而产生氢离子与电子；其中电子经由阳 极导至外电路，以形成电流，氢离子则透过质子交换膜抵达阴极触媒。 氧气透过另一气体扩散层输入，以与氢离子及自外接电路送来的电子反 应生成水，所产生的水则可直接排放至外界环境。由以上说明可知，气体扩散层具有两项主要功能。第一项功能是藉 由本身的多孔结构使得反应气体能够顺利地扩散进入并均匀地分布在 触媒层上，以提供最大的电化学反应面积；第二项功能是将阳极催化反 应所产生的电子导离阳极，以进入外电路，并同时将外电路来的电子导 至阴极触媒层。基于此，气体扩散层必须采用多孔性材质且为电的良导 体。此外，为避免气体扩散层的孔洞被液态水分子占据，阻碍反应气体 的传送；因此，气体扩散层通常必须先经疏水性处理，让反应气体与必 要的水分子蒸气能够顺利到达触媒层。目前所用的气体扩散层有两种， 一是碳布(carbon cloth)，另一 则是碳纸(carbon paper)。现有用于燃料电池的气体扩散层的碳纸的 制造方法，主要是采湿式造纸法，如美国专利第6，713，034号所敎示。 概言之，湿式造纸法系先将具约O. 5至5毫米的纤维长度的碳纤维或石墨 纤维与木浆、纤维素纤维或聚乙烯纤维等材料混合成纸浆，之后透过如 JIS P-209方法进行加压及干燥等程序以获得含碳纤维纸张，接着将该 纸张含浸于一树脂中，再经过热压、碳化等步骤，最后制得一碳纸。然 而，根据上述造纸方式，为使碳纤维可均匀地分散而呈纸状，必须大量 使用非导电性材料(如木浆、纤维素纤维、或聚乙烯纤维)，致使所得 碳纸的电阻率较高；同时，所制得碳纸的拉张强度亦不尽理想。然而， 当在组装电池组(例如包含2至100个单电池)时，使用具有高拉张强度 的气体扩散层材料可使组装工程更为顺利。基于上，本案专利技术人研究发现，将聚酰胺掺杂于氧化纤维中并制成 混纺织物，有利于提供具高强度与高导电性的碳化纸。尤其将所得碳化 纸施用于燃料电池作为气体扩散层材料时，该燃料电池可展现良好的功 率密度与电流密度。
技术实现思路
本专利技术的一目的，在于提供一种制备高强度碳化纸的方法，包含以 下步骤提供一混纺织物，该织物包含氧化纤维及聚酰胺纤维，其中以 纤维总量计，该聚酰胺纤维的含量为1至90重量％;于一惰性气体的保护下热处理该混纺织物，其中热处理温度为400至2500。C，热处理时间为5分钟至120小时；含浸该经热处理的织物于一树脂中；热压该经含浸的 织物，以得到一织物补强纸；以及碳化该织物补强纸。本专利技术的另一目的，在于提供一种高强度碳化纸，其系由如上所述 的方法所制得。本专利技术的又一目的，在于提供一种燃料电池，其特点在于其阳极及 阴极中至少一者系含有本专利技术的高强度碳化纸。附图说明图l系根据本专利技术的一种制备本专利技术碳化纸的方法的流程图2系本专利技术碳化纸的实体图；以及图3系含有本专利技术碳化纸的燃料电池与先前技术者的电池性能比较。具体实施例方式本专利技术制备高强度碳化纸的方法系包含以下步骤(a) 提供一混纺织物，包含氧化纤维及聚酰胺纤维，其中以纤维总 量计，该聚酰胺纤维的含量为1至90重量％;(b) 于一惰性气体的保护下热处理该混纺织物，其中热处理温度为400至2500。C，热处理时间为5分钟至120小时；(C)含浸该经热处理的织物于一树脂中；(d) 热压该经含浸的织物，以得到一织物补强纸；以及(e) 碳化该织物补强纸。根据本专利技术方法，为避免纤维于热处理过程中灰化，该热处理步骤 宜于惰性气体保护下进行。举例言之，可采用选自下列群组的惰性气体以进行热处理氮气、氦气、氩气、及其组合。可进一步于热处理步骤中控制混纺织物的收縮度或拉伸度，以调整所提供碳化织物的透气度 或强度。该控制可藉由调整混纺织物供应至高温炉(以进行热处理)以 及自高温炉送出的速度而达成。具体言之，当混纺织物自高温炉送出的 速度小于其供应速度时，则可收縮该混纺织物，此可避免所得碳化织物的透气度过高；反之，则可拉伸该混纺织物，此可提高所得碳化织物的 强度，有利于作为补强材料。 一般而言，进行收縮控制时，系控制收縮度在40%以内，较佳在25%以内；而若进行拉伸控制，则控制拉伸度在 25 %以内。本专利技术方法中的热处理步骤可以两阶段的方式进行，即，为一两阶 段的热处理程序，包含第一热处理步骤及第二热处理步骤。其中，第一热处理步骤系于400至1 OOOT下进行，第二热处理步骤则于IOOO至2500X 下进行，该二热处理步骤的进行时间各自为5分钟至120小时。于此，当 采用两阶段方式进行此一热处理时，通常系于第一热处理步骤中进行混 纺织物的收縮或拉伸的控制。本专利技术所采的混纺织物含有氧化纤维及聚酰胺纤维，其中以纤维总 量计，聚酰胺纤维的含量为1至90重量％，较佳为5至50重量％，更佳为IO 至40重量％。经发现，聚酰胺纤维于上述热处理后会形成具高导电性的 碳化物。因此，于不受理论限制之下，通常越高的聚酰胺纤维掺混量， 越有助于改善所得混纺织物的导电性，有利于最终所提供碳化纸作为气体扩散层的材料。可于本专利技术方法采用任何合宜的聚酰胺纤维。举例言之，可采用芳族聚酰胺(aromatic polya本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备高强度碳化纸的方法，包含以下步骤：　提供一混纺织物，包含氧化纤维及聚酰胺纤维，其中以纤维总量计，该聚酰胺纤维的含量为１至９０重量％；　于一惰性气体的保护下热处理该混纺织物，其中热处理温度为４００至２５００℃，热处理时间为 ５分钟至１２０小时；　含浸该经热处理的织物于一树脂中；　热压该经含浸的织物，以得到一织物补强纸；以及　碳化该织物补强纸。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：柯泽豪，刘璟翰，洪志荣，廖元楷，林瑞祥，黄建钧，
申请(专利权)人：逢甲大学，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]