一种分子膜碳纸及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种分子膜碳纸及其制备方法和应用。本发明专利技术提供了一种分子膜碳纸的制备方法，包括以下步骤：将高分子膜在酸液中进行浸渍处理后，热处理，得到预处理后的高分子膜；所述高分子膜的材料为导电聚合物；采用等离子气相化学沉积的方式，以乙炔为工作气，在所述预处理后的高分子膜表面沉积碳，得到所述分子膜碳纸。利用所述制备方法制备得到的分子膜碳纸同时具有较好的机械强度、疏水性和电导率。疏水性和电导率。

【技术实现步骤摘要】
一种分子膜碳纸及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种分子膜碳纸及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高的特点。
[0003]气体扩散层是质子交换膜燃料电池的重要组件，可以将燃料电池反应生成的水及时排出，也可起到气体扩散和支撑催化层的作用。因此气体扩散层结构需保证高机械强度的同时，还要具有良好的气体透过性和排水性。目前气体扩散层主要以碳纤维纸为基础材料，但碳纸原纸中胶黏剂经高温碳化后大量挥发仅残存少量碳物质，强度几乎丧失。目前的制作工艺是采用含碳量高的树脂浸渍碳纸原纸，经高温处理，树脂碳化后残留的碳对碳纤维起到粘结和增强作用，从而保持碳纸的形状和强度。然而目前碳纸的浸渍工艺制备的气体扩散层仍存在透气疏水性和电子传导能力不能兼具的缺点，而且其制备工艺繁琐且价格较高，不能较好的满足要求。为了更好地提高其性能，许多研究人员从气体扩散层的浸渍原料、结构和工艺方面开始入手进行改进优化，通过超声浸渍方法在碳纤维纸表面浸渍树脂石墨烯和稳定增强添加料混合溶液，并采用两次碳化来提高其透气性和碳含量，制备柔韧性、力学性能和透气性等较好的气体扩散层，但其疏水性较差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种分子膜碳纸及其制备方法和应用，利用所述制备方法制备得到的分子膜碳纸同时具有较好的机械强度、疏水性和电导率。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种分子膜碳纸的制备方法，包括以下步骤：
[0007]将高分子膜在酸液中进行浸渍处理后，热处理，得到预处理后的高分子膜；所述高分子膜的材料为导电聚合物；
[0008]采用等离子气相化学沉积的方式，以乙炔为工作气，在所述预处理后的高分子膜表面沉积碳，得到所述分子膜碳纸。
[0009]优选的，所述高分子膜的材料包括聚乙烯、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩或聚苯乙炔。
[0010]优选的，所述酸液的质量浓度为20％～40％，所述酸液的温度为30～50℃。
[0011]优选的，所述酸液为盐酸、硝酸和硫酸中的一种或几种。
[0012]优选的，所述浸渍处理后还包括清洗；
[0013]所述清洗采用的清洗剂为水；所述热处理的温度为600～800℃，时间为3～4h。
[0014]优选的，所述等离子气相化学沉积的气氛为乙炔和惰性气体的混合气；
[0015]所述混合气中的乙炔的体积百分比为25％～75％。
[0016]优选的，所述惰性气体为氮气、氩气和氦气中的一种或几种。
[0017]优选的，所述等离子气相化学沉积的温度为400～800℃，时间为30～120min。
[0018]本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的分子膜碳纸。
[0019]本专利技术还提供了上述技术方案所述分子膜碳纸在燃料电池气体扩散层中的应用。
[0020]本专利技术提供了一种分子膜碳纸的制备方法，包括以下步骤：将高分子膜在酸液中进行浸渍处理后，热处理，得到预处理后的高分子膜；所述高分子膜的材料为导电聚合物；采用等离子气相化学沉积的方式，以乙炔为工作气，在所述预处理后的高分子膜表面沉积碳，得到所述分子膜碳纸。本专利技术在制备过程中不需要使用胶黏剂和树脂，从根本上解决了高温下胶黏剂挥发的问题。本专利技术以高分子膜为基底，显著提高了分子膜碳纸的机械强度及疏水性；然后通过气相化学沉积法在所述高分子膜表面沉积碳，在沉积过程中碳原子完成了碳化和石墨化过程，碳在膜的孔径内形成传导电子的通道，提高了碳纸的电导率。通过该方法制备的碳纸同时具备较高的机械强度、良好的疏水性和电导率。所述气相化学沉积法工艺简单，不涉及到粘结剂，从原理上解决了碳纸机械强度低的问题。
[0021]与现有技术相比，本专利技术所述制备方法具有以下优势：
[0022]1)本专利技术采用高分子膜基底材料作为共轭性聚合物经过掺杂后，电导率可达到半导体甚至是金属导体水平；其中表面的疏水官能团极大的提高了燃料电池气体扩散层的疏水和排水能力；
[0023]2)本专利技术采用气相化学沉积法将碳沉积在高分子膜基底上，真空下辉光放电，乙炔分子键断裂在电场作用下碳沉积在高分子膜基底上。碳原子在膜的孔径内形成传导电子的通道，提高了分子膜碳纸的电导率；
[0024]3)所述方法工艺步骤简单，适用于大规模生产，制备得到的分子膜碳纸具有高电子传导能力，兼具较好的疏水性，能够有效提高燃料电池的效率。
具体实施方式
[0025]本专利技术提供了一种分子膜碳纸的制备方法，包括以下步骤：
[0026]将高分子膜在酸液中进行浸渍处理后，热处理，得到预处理后的高分子膜；
[0027]采用等离子气相化学沉积的方式，以乙炔为工作气，在所述预处理后的高分子膜表面沉积碳，得到所述分子膜碳纸。
[0028]在本专利技术中，若无特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
[0029]本专利技术将高分子膜在酸液中进行浸渍处理后，热处理，得到预处理后的高分子膜。
[0030]在本专利技术中，所述高分子膜的材料包括导电聚合物，优选包括聚乙烯、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩或聚苯乙炔。在本专利技术中，所述导电聚合物具有共轭双键，所述共轭双键的存在使得导电聚合物具有一维半导体的不稳定性，在掺杂改性后从绝缘状态跃迁到半导体或导体的状态。
[0031]在本专利技术中，所述酸液的质量浓度优选为20％～40％，更优选为25％～35％，最优选为28％～32％；所述酸液优选为盐酸、硝酸和硫酸中的一种或几种；当所述酸液为上述具体选择中的两种以上时，本专利技术对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。所述酸液的温度优选为30～50℃，更优选为35～45℃，最优选为38～42℃；所述浸渍处理的时间优选为4～5h。在本专利技术中，所述浸渍优选为将所述高分子膜浸没在酸液中。
[0032]在本专利技术中，所述浸渍处理后还优选包括清洗，所述清洗采用的清洗剂优选为水。
[0033]在本专利技术中，高分子膜本身的疏水官能团有利于增强气体扩散层的疏水和排水能力，所述浸渍处理的目的是洗去高分子膜表面上的杂质。
[0034]在本专利技术中，所述热处理的温度优选为600～800℃，更优选为650～750℃，最优选为780～820℃；时间优选为3～4h。
[0035]在本专利技术中，所述热处理的目的是去除热处理将高分子膜中的水分。
[0036]得到预处理后的高分子膜后，本专利技术采用等离子气相化学沉积的方式，以乙炔为工作气，在所述预处理后的高分子膜表面沉积碳，得到所述分子膜碳纸。
[0037]在本专利技术中，所述气相化学沉积的气氛优选为乙炔和惰性气体的混合气；所述混合气中的乙炔的体积百分比优选为25％～75％，更优选为30％～60％，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分子膜碳纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将高分子膜在酸液中进行浸渍处理后，热处理，得到预处理后的高分子膜；所述高分子膜的材料为导电聚合物；采用等离子气相化学沉积的方式，以乙炔为工作气，在所述预处理后的高分子膜表面沉积碳，得到所述分子膜碳纸。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子膜的材料包括聚乙烯、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩或聚苯乙炔。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述酸液的质量浓度为20％～40％，所述酸液的温度为30～50℃。4.如权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述酸液为盐酸、硝酸和硫酸中的一种或几种。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱维，谢佳平，尚子奇，沈军，
申请(专利权)人：海卓动力北京能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：