一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的制备方法技术

一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的制备方法属于燃料电池领域。现有碳纤维纸无法兼顾透气率和力学强度，存在质地脆，表面光洁度低，短切碳纤维易剥离以及生产成本高等问题。本发明专利技术通过将碳纤维毡片浸渍酚醛树脂的乙醇溶液中得到碳纤维毡片酚醛树脂预浸料；将预浸料模压制得碳纤维纸胚体后进行低温碳化处理；再次用酚醛树脂的乙醇溶液浸渍并固化；最后于高温碳化处理制得燃料电池气体扩散层用碳纤维纸。本发明专利技术所制备的碳纤维纸具有较高的孔隙率、透气性、电导率和拉伸强度，可作为质子交换膜燃料电池气体扩散层基底材料使用。

Method for preparing carbon fiber paper for fuel cell gas diffusion layer

The invention relates to a method for preparing carbon fiber paper for a fuel cell gas diffusion layer, belonging to the fuel cell field. The existing carbon fiber paper can not take into account the permeability and mechanical strength, and has the problems of brittle texture, low surface finish, easy peeling of short carbon fiber and high production cost. The carbon fiber mat phenolic resin prepreg carbon fiber mat impregnated in ethanol solution of phenolic resin; the prepreg molding made of Carbon Fiber Paper embryo after low temperature carbonization; again with phenolic resin ethanol solution impregnation and curing; finally in high temperature carbonization treatment system of gas diffusion the fuel cell layer with carbon fiber paper. The carbon fiber paper prepared by the invention has high porosity, permeability, electrical conductivity and tensile strength, and can be used as the base material of the proton diffusion membrane fuel cell gas diffusion layer.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种具有较高透气率、拉伸强 度和导电性的^ 友纤维纸的制备方法，特别涉及一种采用二次浸溃工艺制 备质子交换膜燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的方法。
技术介绍
燃料电池是一种电化学的发电装置，不同于常规意义上的电池。燃 料电池等温地按电化学方式直接将化学能转变为电能。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高(40°/ -60%),环境友好， 几乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。而且，二氧化碳的排放量也比常 规发电厂减少40°/ 以上。正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的 研究和开发倍受各国政府与达公司的重视，被认为是21世纪首选的洁 净、高效的发电技术。气体扩散层是质子交换膜燃料电池中的重要组件，起到支撑催化剂 层，提供反应气体、生成水的重要传质通道，同时还要起到传输电能的 作用。气体扩散层用碳纤维纸需要具有较高的孔隙率和透气率，保证反 应气体可以充分地在催化剂层上发生反应，而且还要具备一定的力学强 度，保证在燃料电池装配以及使用过程中不会发生破坏，同时还有具有 良好的导电性能，减小内阻。目前，应用最广泛的高性能碳纤维纸不能 够很好的兼顾碳纤维纸的透气率和力学强度，存在质地脆，膜电极制备 及燃料电池装配过程中容易发生破坏，表面光洁度低，短切碳纤维容易 剥离以及生产成本高等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种质子交换膜 燃料电池气体扩散层专用碳纤维纸的制备方法。本专利技术方法所制备的碳 纤维纸可以兼顾较高的透气率和拉伸强度，具有较好的韧性，在膜电极 制备以及燃料电池装配过程中不易发生破坏，表面光洁度好，短切碳纤 维不易剥离，满足气体扩散层材料的要求。本专利技术采用二次浸渍工艺制备碳纤维纸，具体包括如下步骤1) 将热固性胺催化酚醛树脂溶于无水乙醇中配制成酚醛树脂乙醇 溶液；2) 选取规格为20-50 g/cm2的碳纤维毡片(毡片中的短切碳纤维为 聚丙烯腈基碳纤维，粘合剂为聚乙烯醇，短切碳纤维的质量分数为 70-90%,粘合剂的质量分数为10-30%)并浸入步骤l)中配制的酚醛树 脂乙醇溶液中制得碳纤维毡片酚醛树脂预浸料，按短切碳纤维与树脂碳(热固性胺催化酚醛树脂^友化后形成的^^)的体积比为1:0.25-0.5控制浸渍量；3 )取2-5层步骤2 )制备的碳纤维毡片酚醛树脂预浸料在压力设备 上进行模压处理得到碳纤维纸胚体，模压压力为0. 5-5MPa,模压温度为 120-17(TC,模压时间为10-40min,模压时碳纤维纸胚体的厚度控制在 0. 18-0. 42mmj4 )将步骤3 )制备的碳纤维纸胚体在氮气保护下进行低温碳化处理 得到低温碳化料，低温碳化温度控制在500-900°C,碳化升温速率控制 在0. 5-5°C/min,石友化时间为0. 5-2h;5 )将步骤4 )制备的低温碳化料浸入步骤1 )中配制的酚醛树脂乙 醇溶液中，按短切碳纤维与树脂碳的体积比为1: 0. 5-0.8控制浸渍量， 得到二次浸渍料，再于30-70。C的低温下烘干，并于120-175°C，固化15-120min;6)将步骤5)处理后的碳纤维纸在氮气保护下，于900-1500。C碳 化处理O. 5-2h,碳化升温速率控制在0. 5-5。C/min，得到燃料电池气体 扩散层用碳纤维纸。本专利技术具有以下有益效果本专利技术所制备的碳纤维纸除了具有良好的导电性和透气率外还兼 具较高的力学强度，碳纤维纸中短切碳纤维与树脂碳界面结合良好，树 脂碳呈薄膜状分布在碳纤维纸中，这种结构赋予碳纤维纸良好的軔性， 在膜电极制备以及燃料电池装配过程中不易发生破坏，表面光洁度好， 短切碳纤维不易剥离，具有良好综合性能且制备成本较低。 具体实施例方式实施例11) 将lg 20g/cm2的碳纤毡片(短切纤维含量为90%)浸渍到22g 质量浓度为5°/。的热固性胺催化酚醛树脂乙醇溶液中，得到碳纤维毡片酚 醛树脂预浸料；2) 取5层碳纤维毡片酚醛树脂预浸料通过模压处理制备碳纤维纸 胚体，模压工艺条件于170。C、 0. 5MPa下，才莫压10min;3) 在氮气保护下低温碳化碳纤维纸胚体，制备低温碳化料，低温 碳化工艺条件以3°C/min的升温速率升温至650°C,碳化0. 5h;4 )将低温石灰化料再次浸入15g质量浓度为5%的热固性胺催化酚醛 树脂中，制备二次浸渍料；5) 将二次浸渍料于70。C烘干后，再于12(TC，固化120min;6) 将固化后的二次浸渍料进行高温碳化得到燃料电池气体扩散层 用碳纤维纸，碳化工艺条件以2'C/min的升温速率升温至9Q0。C,碳化lh。所得碳纤维纸的主要指标如下厚度0. 30mm、密度0. 42g/cm3、透气率2650 mL*腿/ (cm" h" mmAq)、 拉伸强度20Mpa、电阻率0. 016Q . cm。 实施例21 )将1. 3g 30g/cn^的碳纤趙片(短切纤维含量为85%)浸渍到35g 质量浓度为5%的固性胺催化酚醛树脂乙醇溶液中，得到碳纤维毡片酚醛 树脂预浸料；2) 取3层碳纤维毡片酚醛树脂预浸料通过模压处理制备碳纤维纸 胚体，模压工艺条件于140。C、 5MPa下，模压27min;3) 在氮气保护下低温碳化碳纤维纸胚体，制备低温碳化料，低温 碳化工艺条件以5。C/min的升温速率升温至500。C,碳化2h;4 )将低温碳化后的碳纤维纸再次浸入13g质量浓度为5°/。的热固性 胺催化酚醛树脂乙醇溶液中，制备二次浸渍料；5) 将二次浸渍料于50。C烘干lh后，再于140。C,固化90min;6) 将固化后的二次浸渍料进行高温碳化得到燃料电池气体扩散层 用碳纤维纸，碳化工艺条件以3°C/min的升温速率升温至1200°C，碳 化1. 5h。所得^暖纤维纸的主要指标如下厚度0. 30mm、密度0, 42g/cm3、透气率2500 mL' mm/ (cm2* h" mmAq)、 拉伸强度16. 5Mpa、电阻率0. . cm。实施例31 )将2. lg 50g/cm2的碳纤毡片(短切纤维含量为70%)浸渍到56g 质量浓度为5%的热固性胺催化酚醛树脂乙醇溶液中，得到石友纤维毡片酚醛树脂预浸料；2) 取2层碳纤维毡片酚醛树脂预浸料通过模压处理制备碳纤维紙 胚体，模压工艺条件于120。C、 3Mpa下，才莫压40min;3) 在氮气保护下低温碳化碳纤维纸胚体，制备低温碳化料，低温 碳化工艺条件以0. 5。C/min的升温速率升温至900。C,碳化lh;4) 将低温碳化料再次浸入10g质量浓度为5%的热固性胺催化酚酪 树脂乙醇溶液中，制备二次浸渍料；5) 将二次浸渍料于3(TC烘千后，再于175。C,固化15min;6) 将固化后的二次浸渍料进行高温碳化得到燃料电池气体扩散层 用碳纤维纸，碳化工艺条件以0. 5°C/min的升温速率升温至1500°C， 碳化2h。所制备的碳纤维纸的主要指标如下厚度0. 30mm、密度0. 42g/cm3、透气率2200 mL* mm/ (cm" hr* mmAq)、 拉伸强度14Mpa、电阻率0. 0075Q cm。权利要求1、，其特征在于，包括以下步骤1)将热固性胺催化酚醛树脂溶于无水乙醇中配本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：　１）将热固性胺催化酚醛树脂溶于无水乙醇中配制成酚醛树脂乙醇溶液；　２）选取规格为２０－５０ｇ／ｃｍ２的碳纤维毡片，毡片中的短切碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维，粘合剂为聚乙烯醇，短切碳纤维的质量分数为７０－９０％，粘合剂的质量分数为１０－３０％，将碳纤维毡片浸入步骤１）中配制的酚醛树脂乙醇溶液中制得碳纤维毡片酚醛树脂预浸料，按短切碳纤维与树脂碳的体积比为１∶０．２５－０．５控制浸渍量；　３）取２－５层步骤２）制备的碳纤维毡片酚醛树脂预浸料在压力设备上进行模压处理得到碳纤维纸胚体，模压压力为０．５－５ＭＰａ，模压温度为１２０－１７０℃，模压时间为１０－４０ｍｉｎ，模压时碳纤维纸胚体的厚度控制在０．１８－０．４２ｍｍ；　４）将步骤３）制备的碳纤维纸胚体在氮气保护下进行低温碳化处理得到低温碳化料，低温碳化温度控制在５００－９００℃，碳化升温速率控制在０．５－５℃／ｍｉｎ，碳化时间为０．５－２ｈ；　５）将步骤４）制备的低温碳化料浸入步骤１）中配制的酚醛树脂乙醇溶液中，按短切碳纤维与树脂碳的体积比为１∶０．５－０．８控制浸渍量，得到二次浸渍料，再于３０－７０℃的低温下烘干，并于１２０－１７５℃，固化１５－１２０ｍｉｎ；　６）将步骤５）处理后的碳纤维纸在氮气保护下，于９００－１５００℃碳化处理１－２ｈ，碳化升温速率控制在０．５－５℃／ｍｉｎ，得到燃料电池气体扩散层用碳纤维纸。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张学军，裴浩，沈曾民，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]