一种碳薄膜、其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种碳薄膜、其制备方法及应用。碳薄膜的制备包括：A)将棉纤维材料与碱液混合，进行造孔处理；B)与酸液混合，清洗后，得到棉纤维基材；C)与锆盐乙醇溶液混合，超声处理后，在60～70℃浸泡；D)在200～250℃进行预氧化，得到预氧化碳薄膜；E)在保护气气氛下，将所述预氧化碳薄膜加热至900～1100℃，保温；在保护气气氛的条件下，再通入甲烷气体，升温至1100～1400℃，保温；F)与酸溶液混合后，清洗，干燥，得到碳薄膜。本发明专利技术的制备条件更为缓和，制备工艺简单，制得的碳薄膜的导电性、孔隙率、疏水性能较优，可以代替市面上碳纤维布作为燃料电池的气体扩散层。散层。

【技术实现步骤摘要】
一种碳薄膜、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种碳薄膜、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]气体扩散层承担着均匀扩散气体、传导电子、水分排出、支撑电极结构等作用。为满足需求，气体扩散层应当具有高透气性、高导电性、高疏水性、和一定机械强度。
[0003]气体扩散层通常由高导电、高孔隙率的材料制成，理想的扩散层应满足三个条件：良好的排水性、良好的透气性、良好的导电性。目前国内外用来制备燃料电池气体扩散层的材料主要是以高导电碳纤维为原料制成的碳纸或碳布，厚度约为100～400μm。碳纤维纸脆性很大，不柔软，在电极的准备过程中容易受损，所以氢燃料电池气体扩散层的基底采用碳素纤维织布比较多，它没有碳纤维纸那样的机械脆性，具有很好的可压缩性和柔性。根据纤维结构和制织工序的不同，在厚度方向上也有弹性，能得到一定的压缩性能。通过给予其一定的压力有助于改善与电解质或催化剂层之间的的电阻。
[0004]碳纤维的主要成分是聚丙烯腈，使用的碳纤维纸是由碳纤维原丝通过造纸工艺中的抄纸热压制备而成，碳纤维布是由碳纤维纺织制成。众所周知，聚丙烯腈是一种具有坚硬、角质、相对不溶性和高熔点的聚合物材料。首先，成型的聚丙烯腈纤维在180～300℃的空气气氛中加热进行预氧化，从而固定材料的碳骨架，这是制备碳纤维最复杂且费时的阶段之一。其次，碳纤维在氮气气氛下高温碳化(1000～1600℃)，该过程需要控制加热温度和加热速率以便于获得更高的模量和强度。最后，为了进一步提高性能，碳化纤维必须在氩气气氛中经过退火处理进一步提高石墨化程度，这一过程需要的温度高达3000℃。如果没有对制备的优化过程进行适当的控制，纤维容易脆化。通过这几步处理获得的碳纤维就可以作为原料通过特定工艺制备碳纤维纸和碳纤维布。
[0005]目前，商业化的碳纤维布和碳纤维纸虽然性能优良，能很好地适应质子交换膜燃料电池的气体扩散层，但是，其制备过程所需要的高温(2500～3000℃)条件会消耗大量能源，再加上条件极高的生产条件，导致其成本极高，其市售价格为每平方米4000
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6000元人民币。另外，国内可以生产石墨化碳炉(2500～3000℃)的核心技术受限，供货时间和供货量往往不稳定，大大限制了我国碳纤维纸和碳纤维布的生产，从而严重影响我国燃料电池的发展速度。

技术实现思路

[0006]鉴于现在市场上碳布成本较高且流程复杂的问题，本专利技术提供一种碳薄膜、其制备方法及应用，制备条件更为缓和，大大降低碳纤维布制备的工业能耗，制备工艺简单，制得的碳薄膜的导电性、孔隙率、疏水性能足以与市面上的碳纤维布媲美，可以代替市面上碳纤维布作为燃料电池的气体扩散层。
[0007]本专利技术提供了一种碳薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0008]A)将棉纤维材料与碱液混合，进行造孔处理；
[0009]B)将步骤A)处理后的棉纤维材料与酸液混合，清洗后，得到棉纤维基材；
[0010]C)将所述棉纤维基材与锆盐乙醇溶液混合，超声处理后，在60～70℃浸泡；
[0011]D)将步骤C)得到的棉纤维基材在200～250℃进行预氧化，得到预氧化碳薄膜；
[0012]E)在氩氢混合气气氛下，将所述预氧化碳薄膜加热至900～1100℃，保温；在氩氢混合气气氛的条件下，再通入甲烷气体，升温至1100～1400℃，保温；
[0013]F)将步骤E)处理后的预氧化碳薄膜与酸溶液混合后，清洗，干燥，得到碳薄膜。
[0014]优选的，步骤A)中，所述棉纤维材料包括生物质棉布、纯棉布、丝光棉布和水洗棉布中的至少一种；
[0015]所述碱液包括氢氧化钾溶液，浓度为0.1～1.5mol/L。
[0016]优选的，步骤B)中，所述酸液包括硫酸溶液或盐酸溶液；所述酸液的浓度为0.2～0.5mol/L；
[0017]所述混合的温度为25～60℃，时间为1～3h。
[0018]优选的，步骤C)中，所述锆盐包括氯化锆、硫酸锆、氟化锆、硝酸锆和乙酰丙酮锆中的至少一种；
[0019]所述锆盐乙醇溶液的质量浓度为1％～30％；
[0020]所述超声处理的功率为100～300W，时间为10～30min；
[0021]所述浸泡的时间为2～12h。
[0022]优选的，步骤D)中，在200～250℃进行预氧化前，还包括：将步骤C)得到的棉纤维基材加热至200～250℃；
[0023]所述加热的速率为1～3℃/min；
[0024]所述预氧化是在空气气氛中进行，预氧化的时间为1～2h。
[0025]优选的，步骤E)中，所述氩氢混合气包括氩气和氢气，体积比为8～10：0.5～1.5；
[0026]所述加热的速率为8～12℃/min；
[0027]在900～1100℃保温的时间为20～60min。
[0028]优选的，步骤E)中，所述氩氢混合气与甲烷气体的体积比为10：0.2～1；
[0029]所述升温的速率为8～12℃/min；
[0030]在1100～1400℃保温的时间为10～60min。
[0031]优选的，步骤F)中，所述酸溶液包括硫酸溶液或盐酸溶液；所述酸液的浓度为0.2～0.5mol/L；
[0032]所述混合的温度为40～60℃，时间为1～3h。
[0033]本专利技术还提供了一种上文所述的制备方法制得的碳薄膜。
[0034]本专利技术还提供了一种燃料电池，所述燃料电池的气体扩散层包括上文所述的碳薄膜。
[0035]本专利技术提供了一种碳薄膜的制备方法，包括以下步骤：A)将棉纤维材料与碱液混合，进行造孔处理；B)将步骤A)处理后的棉纤维材料与酸液混合，清洗后，得到棉纤维基材；C)将所述棉纤维基材与锆盐乙醇溶液混合，超声处理后，在60～70℃浸泡；D)将步骤C)得到的棉纤维基材在200～250℃进行预氧化，得到预氧化碳薄膜；E)在氩氢混合气气氛下，将所述预氧化碳薄膜加热至900～1100℃，保温；在氩氢混合气气氛的条件下，再通入甲烷气体，升温至1100～1400℃，保温；F)将步骤E)处理后的预氧化碳薄膜与酸溶液混合后，清洗，干
燥，得到碳薄膜。本专利技术的制备条件更为缓和，大大降低碳纤维布制备的工业能耗，制备工艺简单，制得的碳薄膜的导电性、孔隙率、疏水性能较优，足以与市面上的碳纤维布媲美，可以代替市面上碳纤维布作为燃料电池的气体扩散层。
附图说明
[0036]图1为本专利技术实施例1的多级结构碳薄膜的XRD图；
[0037]图2为本专利技术实施例1的多级结构碳薄膜的拉曼光谱图；
[0038]图3为本专利技术实施例1的多级结构碳薄膜的扫描电镜图；
[0039]图4为本专利技术实施例1的多级结构碳薄膜的透射电镜图；
[0040]图5为本专利技术实施例1的多级结构碳薄膜的X射线光电子能谱图；
[0041]图6为本专利技术实施例1的多级结构碳薄膜通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳薄膜的制备方法，包括以下步骤：A)将棉纤维材料与碱液混合，进行造孔处理；B)将步骤A)处理后的棉纤维材料与酸液混合，清洗后，得到棉纤维基材；C)将所述棉纤维基材与锆盐乙醇溶液混合，超声处理后，在60～70℃浸泡；D)将步骤C)得到的棉纤维基材在200～250℃进行预氧化，得到预氧化碳薄膜；E)在氩氢混合气气氛下，将所述预氧化碳薄膜加热至900～1100℃，保温；在氩氢混合气气氛的条件下，再通入甲烷气体，升温至1100～1400℃，保温；F)将步骤E)处理后的预氧化碳薄膜与酸溶液混合后，清洗，干燥，得到碳薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，所述棉纤维材料包括生物质棉布、纯棉布、丝光棉布和水洗棉布中的至少一种；所述碱液包括氢氧化钾溶液，浓度为0.1～1.5mol/L。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤B)中，所述酸液包括硫酸溶液或盐酸溶液；所述酸液的浓度为0.2～0.5mol/L；所述混合的温度为25～60℃，时间为1～3h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤C)中，所述锆盐包括氯化锆、硫酸锆、氟化锆、硝酸锆和乙酰丙酮锆中的至少一种；所述锆盐乙醇溶液的质量浓度为1％～30％...

【专利技术属性】
技术研发人员：代鹏程，赵永鑫，李伟，尤加强，杨贵州，周露露，王雯雯，田煜彬，李冰，刘海燕，王振华，邢涛，
申请(专利权)人：中国石油大学华东兖矿水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：