【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃料电池，具体为一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺。
技术介绍
1、质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,pemfc)，利用氢气和空气作为燃料来源，通过电化学反应将化学能转化为电能，具有零排放、高能量转化效率和供电能力稳定等优势，被认为是清洁能源最重要的发展方向之一。
2、pemfc电池单元的主要组成部分包括质子交换膜、催化层、气体扩散层(gasdiffusion layer,gdl)以及双极板，gdl作为pemfc的核心部件之一，位于催化层以及双极板之间，在燃料电池运行过程中起着关键的作用，包括导热、导电、水气传质管理和提供支撑等功能，因此，gdl需要具备高导电性、高导热性，具有多孔结构，能够及时将参与反应的氢气和氧气输送到反应区域，并有效排出反应产生的水，同时还需要具备一定的力学强度和可压缩性等性能。
3、为了满足上述性能要求，gdl通常由两部分构成：基底层和微孔层，其中基底层一般采用碳纤维纸、碳布或者碳毡等层状多孔材料。而碳纤维纸具有制造工艺成熟、适合工业化生产、优良的导电导热性能、表面平整、抗电化学腐蚀、出色的力学及支撑性能等优势，因此是gdl基底层最广泛应用的材料之一。
4、目前，用于pemfc中gdl的碳纤维纸已经实现商品化，并且其生产流程也已趋于标准化。主要生产流程包括碳纤维原纸抄造、热固性树脂溶液浸渍与固化、高温石墨化处理以及负载微孔层等几个步骤。作为碳/碳复合材料，碳纤维纸的主要成分包括抄纸步
5、在高温石墨化处理过程中，酚醛树脂属于典型的难石墨化碳，其微观结构导致部分碳原子难以在高温下进行重排，从而不能形成有序的片状石墨结构，这种难石墨化性质不利于石墨化后树脂碳的导电和导热性能【蒋文忠.碳素工艺学[m].冶金工业出版社,2009.】，在实际生产中，单纯提高石墨化温度并不是解决这一问题的完美方案，因为这可能导致大量能量损失，并且对石墨化设备提出更高的要求，进而影响制造成本。
6、除了提高石墨化温度以外，催化石墨化也是提高酚醛树脂石墨化程度的重要研究方向之一，常用的可以催化酚醛树脂石墨化反应的催化剂可以大致分为两类：一类为硼系催化剂，比如硼砂、硼酸、氧化硼、碳化硼等；一类为过度金属类催化剂，包括铁、钴、镍的各种盐类，比如氯化铁，硝酸钴等【yang p,li t,li h,et al.progress in thegraphitization and applications of modified resin carbons[j].new carbonmaterials,2023,38(1):96-108.】。其作用原理主要有两种解释，一是碳原子在高温下熔解于过度金属元素，再析出，析出的碳原子更易于发生重排，形成有序的石墨化结构；另一种解释，特别是对于非过度金属类催化剂比如硼系催化剂，则是高温下相应碳化物的分解与生成，为可逆化学反应，在化学平衡的过程中，部分碳原子发生重排，从而形成有序的片状石墨结构【chen l,fang t,song c,et al.boron catalytic graphitization boostingthe production of high-performance carbon paper at a moderate temperature[j].advanced engineering materials,2021,23(10):2100305.】，已有研究表明，对于酚醛树脂的石墨化，硼系催化剂与过度金属系催化剂的共用，存在一定协同催化石墨化作用【renq,he l,hu s,et al.formation of highly graphitic char derived from phenolicresin carbonization by ni-zn-balloy[j].environmental science and pollutionresearch,2020,27:22639-22647.】。
7、然而，硼系催化剂与过度金属系催化剂的混合使用，在pemfc用碳纤维纸的制备过程中，会产生一系列问题，对于硼系催化剂，在本专利技术的实际生产中，发现常用硼系催化剂包括硼酸以及氧化硼等，在加入酚醛树脂浸渍液之后，会极大的影响酚醛浸渍液的稳定性，导致酚醛部分析出，形成絮状沉淀，难以达到稳定均匀的浸渍效果。而对于过度金属类催化剂，由于pemfc阳极的氧化作用，过多使用过度金属类催化剂会在pemfc运行时，于阳极产生金属离子，不利于pemfc的耐久性能。
8、综上所述，对酚醛树脂的催化石墨化有利于提高石墨化后树脂碳的导电导热性能，进而提高作为gdl使用的碳纤维纸的性能，且可以降低高温设备的成本，但不同催化剂的选择，复配和实际使用中存在各种问题。因此，本领域的技术人员提供了一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
技术实现思路
1、(一)解决的技术问题
2、针对现有技术的不足，主要包括硼系化合物影响酚醛树脂浸渍液稳定性，以及需要减少酚醛树脂浸渍液中过度金属催化剂用量的问题，本专利技术提出了一种将硼元素原位引入酚醛结构之中制成硼改性酚醛(boron modified phenolic formaldehyde,bpf)的方法，通过控制酚醛浸树脂渍液中bpf与酚醛的比例来控制硼元素在体系中的含量，再通过配合适量的过度金属类催化剂，达到不破坏酚醛浸渍液稳定性的前提下，通过在酚醛树脂分子结构中原位引入的硼元素，完成与过度金属催化剂的协同催化石墨化，在解决硼系催化剂难添加的问题同时，降低过度金属催化剂的用量，最终达到提升酚醛树脂石墨化后树脂碳石墨化程度，进而优化其性能的目的。
3、(二)技术方案
4、为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：本专利技术提供了一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，该方法包括以下主要步骤(如图1所示)：
5、步骤(1)，碳纤维原纸抄造。使用短切碳纤维，利用分散设备，以水为分散体系的溶剂，配合适量分散助剂，通过湿法抄纸技术，制备出碳纤维原纸；
6、步骤(2)，树脂浸渍液配制。将硼酚醛树脂一用溶剂一稀释，再在搅拌下，将酚醛树脂一缓慢加入，配置成溶液一，溶液一中硼酚醛树脂一和酚醛树脂一的比例可控。再将过度金属催化剂通过超声分散于溶剂一中，得到溶液二。然后，将溶液二在搅拌下缓慢加入溶液一中，之后使用分散设备分散，最终得到溶液三，也即树脂浸渍液；
7、步骤(3)，将步骤(1)中的碳纤维原纸浸渍于步骤(2)中的树脂浸渍液中，得到浸渍碳纤维纸，再使用平板硫化机对浸渍碳纤维纸进行热压和固化，得到固化碳纤维纸；
8、步骤(4)，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于，包括有以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述短切碳纤维的长度为1～20mm，直径为2～20μm。
4.根据权利要求2所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述热压和固化流程，其工艺参数为：温度为120～200℃；压力为0～5MPa；时间为1～120min。
5.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述分散剂为磷酸盐类分散剂、硅酸盐类分散剂、纤维素类分散剂、聚丙烯酸盐类分散剂、聚合物类分散剂、有机醚类分散剂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述硼酚醛树脂一为以硼酸、苯酚、
7.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述酚醛树脂一为以苯酚、甲醛为原料的Resole型热固性酚醛树脂，游离酚含量10％～20％，固含量40％～70％。
8.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述石墨化的炉内气氛为氮气或氩气中的一种，所述石墨化的最终温度为1200～2400℃，在最高温度下的保温时间为0～10min。
9.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述溶剂一为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丙酮、乙醚、石油醚、乙酸乙酯中的一种或多种配制而成的复合溶剂，所述溶液一中硼酚醛树脂一和酚醛树脂一的比例为1：9～9：1区间内。
10.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述过度金属催化剂为氯化铁、氯化钴、氯化镍、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、二茂铁中的一种或多种。
...【技术特征摘要】
1.一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于，包括有以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述短切碳纤维的长度为1～20mm，直径为2～20μm。
4.根据权利要求2所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述热压和固化流程，其工艺参数为：温度为120～200℃；压力为0～5mpa；时间为1～120min。
5.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述分散剂为磷酸盐类分散剂、硅酸盐类分散剂、纤维素类分散剂、聚丙烯酸盐类分散剂、聚合物类分散剂、有机醚类分散剂中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种利用硼酚醛树脂对燃料电池用碳纤维纸催化石墨化工艺，其特征在于：所述硼酚醛树脂一为以硼酸、苯酚、甲醛为原料，使...
【专利技术属性】
技术研发人员：于思聪，张久俊，程立明，姚锦丽，
申请(专利权)人：骊能新能源科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：
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