【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，具体而言，涉及一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法。
技术介绍
1、燃料电池是一种新型和环境友好型的发电装置，可直接将存储于燃料中的化学能转化为电能，由于其发电无剧烈燃烧，转化过程绿色环保，所以使用燃料电池是解决当前能源危机的有效办法。在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池因为具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、无污染、体积轻巧等诸多优点，被认为是最具发展潜力的电源之一。燃料电池在工作中会产生大量的水，如果没有办法及时排出，则会造成催化层水淹现象，堵塞整个电池通道，阻碍气体的传输。因此，有一个既能够有效传输气体，又能管理反应所产生的水的通道就尤为重要。
2、碳纸是质子交换膜燃料电池气体扩散层的主体材料，起支撑催化剂，为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的作用，是影响电极性能的关键部件之一。cn114457620a公开了一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法，然而其存在拉伸强度不够的问题。
3、综上所述，经过申请人的海量检索，本领域至少存在现有的质子交换膜燃料电池用碳纸不能同时保证导电性能、机械强度和透气性能优异的问题，因此，需要开发或者改进一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法。
技术实现思路
1、基于此，为了解决现有的质子交换膜燃料电池用碳纸不能同时保证导电性能、机械强度和透气性能优异的问题，本专利技术提供了一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法，具体技术方案如下：
2、一种质子交换膜燃料电池用碳纸，
3、所述改性聚丙烯腈基碳纤维的制备原料包括聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂和4-(2-氨基-2-甲酸基乙基)苯甲酸；
4、所述聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂和4-(2-氨基-2-甲酸基乙基)苯甲酸的质量之比为95～105：5～10：3～7；
5、所述改性聚乙烯醇的制备原料包括聚乙烯醇和4-氨基-2-甲基苯乙酸乙酯；
6、所述聚乙烯醇和4-氨基-2-甲基苯乙酸乙酯的质量之比为19～21：1～2。
7、进一步地，所述改性聚丙烯腈基碳纤维的制备方法包括以下步骤：
8、将1～10mm的聚丙烯腈基碳纤维进行清洁处理，得到聚丙烯腈基碳纤维前驱体；
9、将所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体水解处理，得到部分水解聚丙烯腈基碳纤维；
10、将酚醛树脂加入乙醇中，以800～900r/min的速度搅拌8～10h，然后加入部分水解聚丙烯腈基碳纤维，以1200～1300r/min的速度搅拌均匀，然后加入4-(2-氨基-2-甲酸基乙基)苯甲酸，以1000～1200r/min的速度搅拌6～10h，然后升温至65～75℃回流反应3.2～3.8h，然后自然冷却，过滤分离，得到所述改性聚丙烯腈基碳纤维。
11、进一步地，所述清洁处理包括以下步骤：
12、将所述聚丙烯腈基碳纤维置于5～9wt％的氢氧化钠溶液中浸渍5～7h，然后过滤分离，然后加入乙醇中，以70～90khz的频率超声30～40min，然后使用乙醇洗涤至ph为6.5～7.5，然后在氩气气氛下，升温至80～90℃烘干，得到所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体。
13、进一步地，所述水解处理包括以下步骤：
14、将所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体加入15～17wt％的氢氧化钠水溶液中，以700～800r/min的速度搅拌均匀，然后升温至62～68℃反应25～30min，得到部分水解聚丙烯腈基碳纤维。
15、进一步地，所述改性聚乙烯醇的制备方法包括以下步骤：
16、将所述聚乙烯醇加入水中，以920～1000r/min的速度搅拌均匀，然后加入4-氨基-2-甲基苯乙酸乙酯，升温至110～120℃反应2.2～2.8h，冷却后过滤分离，得到改性聚乙烯醇。
17、本技术方案还提供了一种碳纸的制备方法，其包括以下步骤：
18、将改性聚丙烯腈基碳纤维加入水中，以110～130khz的频率超声15～25min，然后加入改性聚乙烯醇，以1250～1280r/min的速度搅拌均匀，然后加入0.5～1.1wt％的羟乙基纤维素水溶液，搅拌均匀后加入成型器中湿法成型，得到碳纸原纸；
19、将所述碳纸原纸置于浸渍液中浸渍2.2～2.8h，然后在氩气气氛下，于80～90℃烘干，然后在氩气气氛下进行固化处理和碳化处理，得到所述质子交换膜燃料电池用碳纸；
20、所述改性聚丙烯腈基碳纤维、改性聚乙烯醇和羟乙基纤维素的质量之比为98～102：5～11：1～2；
21、所述浸渍液包括导电材料、分散剂和溶剂。
22、进一步地，所述分散剂包括聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物和四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚共聚物中的至少一种。
23、进一步地，所述固化处理的条件为在220～280℃保温2.1～2.5h；
24、所述碳化处理的条件为在2300～2360℃保温0.9～1.5h。
25、进一步地，所述导电材料包括导碳纤维、碳纳米管、乙炔黑、介孔碳、导电炭黑、碳气凝胶、石墨和石墨烯中的至少一种；
26、所述溶剂包括水、乙醇、乙二醇、丙酮、丙三醇、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺和n-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
27、进一步地，所述浸渍液的制备方法包括以下步骤：
28、将所述导电材料加入所述溶剂中，以70～90khz的频率超声30～40min，然后加入所述分散剂，以1000～1100r/min的速度搅拌均匀，得到所述浸渍液。
29、上述技术方案提供的质子交换膜燃料电池用碳纸的导电性能、机械强度和透气性能均十分优异；具体地，部分水解聚丙烯腈基碳纤维含有丰富的羟基基团，酚醛树脂也含有羟基基团，而4-(2-氨基-2-甲酸基乙基)苯甲酸含有对位的羧基，可与羟基发生酯化反应，链接聚丙烯腈基碳纤维和酚醛树脂，此外，酚醛树脂和4-(2-氨基-2-甲酸基乙基)苯甲酸皆含有苯环，可有效形成空间大尺寸空间通道和大π键电子云；进一步地，4-氨基-2-甲基苯乙酸乙酯改性后的聚乙烯醇也能有效链接4-氨基-2-甲基苯乙酸乙酯，4-氨基-2-甲基苯乙酸乙酯含苯环、酯基和氨基，这些基团可与酚醛树脂和4-(2-氨基-2-甲酸基乙基)苯甲酸改性的聚丙烯腈基碳纤维在湿法成型时更大尺度地形成具有韧性的平面，从而使得最终得到的质子交换膜燃料电池用碳纸的导电性能、机械强度和透气性能均十分优异。
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1.一种质子交换膜燃料电池用碳纸，其特征在于，其制备原料包括改性聚丙烯腈基碳纤维和改性聚乙烯醇；
2.根据权利要求1所述的碳纸，其特征在于，所述改性聚丙烯腈基碳纤维的制备方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的碳纸，其特征在于，所述清洁处理包括以下步骤：
4.根据权利要求2所述的碳纸，其特征在于，所述水解处理包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的碳纸，其特征在于，所述改性聚乙烯醇的制备方法包括以下步骤：
6.如权利要求1所述的碳纸的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂包括聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物和四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚共聚物中的至少一种。
8.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述固化处理的条件为在220～280℃保温2.1～2.5h；
9.根据权利要求6所述的制
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍液的制备方法包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种质子交换膜燃料电池用碳纸，其特征在于，其制备原料包括改性聚丙烯腈基碳纤维和改性聚乙烯醇；
2.根据权利要求1所述的碳纸，其特征在于，所述改性聚丙烯腈基碳纤维的制备方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的碳纸，其特征在于，所述清洁处理包括以下步骤：
4.根据权利要求2所述的碳纸，其特征在于，所述水解处理包括以下步骤：
5.根据权利要求1所述的碳纸，其特征在于，所述改性聚乙烯醇的制备方法包括以下步骤：
6.如权利要求1所述的碳纸的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：周山麒，徐爽，王迪，胡海平，
申请(专利权)人：湖南隆深氢能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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