本發(fā)明屬于燃料電池，尤其涉及一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置具有功率密度高、轉(zhuǎn)換效率高、低溫啟動快、無電解質(zhì)流失、體積小、壽命長環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，是近年來研究熱度最高和應(yīng)用進(jìn)程最快的新能源電池品種被認(rèn)為是一系列固定和移動應(yīng)用的理想候選電源，如汽車、單兵作戰(zhàn)電源及分散式發(fā)電站等。

2、氣體擴(kuò)散層gdl是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心零部件之一，它具有以下四種主要功能：第一、支撐起質(zhì)子交換膜和催化層；第二、作為陰陽極反應(yīng)氣體從流場流道向催化層擴(kuò)散的通道；第三、作為電子的傳輸通道將電子傳輸?shù)綐O板第四、通過毛細(xì)效應(yīng)和濃差擴(kuò)散等方式將產(chǎn)物水及時從催化層向流場流道排出從而防止電極發(fā)生水淹現(xiàn)象。

3、碳紙是將短切碳纖維和其他纖維在分散溶液中制成漿料再通過機(jī)械攪拌等方式，使其均勻交織，脫水和干燥后獲得碳紙?jiān)?。?jīng)樹脂浸漬、熱壓、碳化石墨化等工序制造成氣體擴(kuò)散層用碳紙。氣體擴(kuò)散層存在本體電阻，目前市場上各型號氣體擴(kuò)散層均存在較高的電阻率，燃料電池運(yùn)行時歐姆阻抗增加，導(dǎo)致極化性能降低。

4、公開號為cn110512459a的專利文件公開了一種用于燃料電池的高性能碳紙及其制備方法與應(yīng)用。該方法包括如下步驟：(1)將纖維原料加入到水中攪拌混合均勻，得到混合漿料i；然后依次將表面活性劑、聚氧化乙烯和聚乙烯醇溶液加入到混合漿料i中，攪拌均勻，得到混合漿料ii；再將混合漿料ii抄造成濕紙幅，干燥，得到碳紙前驅(qū)體；其中，纖維原料包括粘膠纖維、纖維素納米纖絲和碳纖維；(2)將碳紙前驅(qū)體浸漬于改性酚醛樹脂的乙醇溶液中，烘干，并在其表面涂布疏水涂料，再進(jìn)行熱壓和熱處理，得到用于燃料電池的碳紙。該專利文件制備過程中使用硼酸，但是通過苯酚、硼酸和醋酸混合后得到硼酸-腰果酚改性的酚醛樹脂進(jìn)行碳紙制備，制備方法與使用材料與本申請不同。該對比文件電阻率最低為7.1mω·cm，高于本申請實(shí)施例中2.3mω·cm的最低電阻率。

5、公開號為cn117721667a的專利文件公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池用碳紙，其制備原料包括改性聚丙烯腈基碳纖維和改性聚乙烯醇；所述改性聚丙烯腈基碳纖維的制備原料包括聚丙烯腈基碳纖維、酚醛樹脂和4-(2-氨基-2-甲酸基乙基)苯甲酸；所述聚丙烯腈基碳纖維、酚醛樹脂和4-(2-氨基-2-甲酸基乙基)苯甲酸的質(zhì)量之比為95～105：5～10：3～7；所述改性聚乙烯醇的制備原料包括聚乙烯醇和4-氨基-2-甲基苯乙酸乙酯；所述聚乙烯醇和4-氨基-2-甲基苯乙酸乙酯的質(zhì)量之比為19～21：1～2。該專利通過酯化反應(yīng)后鏈接，形成空間大尺寸空間通道和大π鍵電子云等方法提高導(dǎo)電性能、機(jī)械強(qiáng)度和透氣性能，但與本發(fā)明通過硼元素降低電阻率、提高機(jī)械性能的方法不同。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙及其制備方法。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)。

3、本發(fā)明提供的一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙的制備方法，包括以下步驟：

4、s1：將短切碳纖維用溶液a浸泡處理，碳纖維與水溶性纖維混合，取出后經(jīng)高速分散機(jī)分散，然后進(jìn)行抄紙，并涂布膠粘劑，經(jīng)干燥后制成碳紙?jiān)垼?/p>

5、s2：采用浸漬涂布機(jī)將碳紙?jiān)埥n涂布溶液b，取出后烘干，得到附著樹脂的預(yù)成型紙；

6、s3：將附著樹脂的預(yù)成型紙放置在模具中，進(jìn)行熱壓固化處理，得到熱壓成型紙；

7、s4：將熱壓成型紙?zhí)蓟幚?，得到所述氣體擴(kuò)散層用碳紙。

8、優(yōu)選地，所述步驟s1中溶液a為硼酸水溶液，將短切碳纖維用重量百分比濃度為2～3％的硼酸水溶液浸泡處理10～15hr，取出后，短切碳纖維與70℃水溶性聚乙烯醇纖維按照85％：15％的配比，采用斜網(wǎng)造紙機(jī)進(jìn)行抄紙，并通過缸上施膠裝置涂布膠粘劑，經(jīng)烘缸干燥后制成碳紙?jiān)垺?/p>

9、優(yōu)選地，所述步驟s1中，以重量份為單位，所述膠粘劑制備步驟包括：將硼酸先溶解于40～60℃的熱水中，配成重量百分比濃度為1～5％的硼酸溶液，取2～6份該硼酸溶液加入到100份重量百分比濃度2～7％的聚乙烯醇水溶液中，攪拌均勻后制成膠粘劑。

10、優(yōu)選地，所述步驟s1中，所述短切碳纖維為t700，纖維長度為4～6mm，纖維直徑7～12μm的聚丙烯腈基碳纖維，所述碳紙?jiān)埖目酥貫?5～35g/m2。

11、優(yōu)選地，所述步驟s2中，所述溶液b為酚醛樹脂溶液，以重量份為單位，酚醛樹脂溶液制備步驟包括：使用300～400份酚醛樹脂與1500～1800份重量百分比濃度為30～70％的乙醇水溶液混合，經(jīng)充分?jǐn)嚢枞芙夂笈渲贫伞?/p>

12、優(yōu)選地，所述步驟s2中，浸漬涂布機(jī)的車速為2～3m/min；所述烘箱干燥溫度為85～95℃，時間為10～20min；所述熱壓成型紙中的樹脂含量為50～54％。

13、優(yōu)選地，所述步驟s3中，將附著樹脂的預(yù)成型紙雙層層疊放置在定制模具中，疊層總克重在50～70g/m2，在熱壓機(jī)上進(jìn)行熱壓固化處理，在壓力1～6mpa、溫度150～200℃的條件下熱壓固化處理1～3min，熱壓后在保持壓力狀態(tài)下隨儀器冷卻。

14、優(yōu)選地，所述步驟s4中，碳化石墨化在抽真空或氬氣氣氛保護(hù)下進(jìn)行，碳化溫度為1000～1100℃，石墨化溫度為2200～2800℃，碳化石墨化時間為45～52h。

15、一種由上述制備方法制備的碳紙。

16、優(yōu)選地，所述碳紙的氣體透過率＞2000ml·mm/(cm2·h·mmhg)，石墨化度＞65％，孔隙率≥80％，垂直向電阻率≤400mω·cm，水平向電阻率≤2.3mω·cm，拉伸強(qiáng)度為≥25mpa，彎曲模量為≥10mpa，厚度180～220μm，體積密度0.35～0.45g/cm3。

17、本發(fā)明的有益效果在于：

18、本發(fā)明以碳纖維為原料，采用硼酸溶液對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理，然后將碳纖維均勻分散后采用濕法工藝制備碳紙?jiān)?，并在烘缸干燥前用含硼pva膠進(jìn)行施膠后制成碳紙?jiān)垼辉俳?jīng)酚醛樹脂浸漬、熱壓固化、碳化石墨化等制備方法制備成碳紙。該制備方法通過在前期碳紙?jiān)埑爝^程中將硼元素附著于碳纖維上，而硼及硼化物具有對碳纖維的增強(qiáng)效能以及在后續(xù)工藝中起催化石墨化的作用，有利于制備低電阻率、高強(qiáng)度碳紙。該制備方法制備的燃料電池用碳紙的表面性質(zhì)、機(jī)械性能、本征指標(biāo)等都具有良好的可控性，并有助于降低燃料電池歐姆阻抗，提升極化性能。

技術(shù)特征：

1.一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙的制備方法，其特征在于：所述步驟s1中溶液a為硼酸水溶液，將短切碳纖維用重量百分比濃度為2～3％的硼酸水溶液浸泡處理10～15hr，取出后，短切碳纖維與70℃水溶性聚乙烯醇纖維按照85％：15％的配比，采用斜網(wǎng)造紙機(jī)進(jìn)行抄紙，并通過缸上施膠裝置涂布膠粘劑，經(jīng)烘缸干燥后制成碳紙?jiān)垺?/p>

3.如權(quán)利要求1所述的一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙的制備方法，其特征在于：所述步驟s1中，以重量份為單位，所述膠粘劑制備步驟包括：將硼酸先溶解于40～60℃的熱水中，配成重量百分比濃度為1～5％的硼酸溶液，取2～6份該硼酸溶液加入到100份重量百分比濃度2～7％的聚乙烯醇水溶液中，攪拌均勻后制成膠粘劑。

4.如權(quán)利要求1所述的一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙的制備方法，其特征在于：所述步驟s1中，所述短切碳纖維為t700，纖維長度為4～6mm，纖維直徑7～12μm的聚丙烯腈基碳纖維，所述碳紙?jiān)埖目酥貫?5～35g/m2。

5.如權(quán)利要求1所述的一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙的制備方法，其特征在于：所述步驟s2中，所述溶液b為酚醛樹脂溶液，以重量份為單位，酚醛樹脂溶液制備步驟包括：使用300～400份酚醛樹脂與1500～1800份重量百分比濃度為30～70％的乙醇水溶液混合，經(jīng)充分?jǐn)嚢枞芙夂笈渲贫伞?/p>

6.如權(quán)利要求1所述的一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙的制備方法，其特征在于：所述步驟s2中，浸漬涂布機(jī)的車速為2～3m/min；所述烘箱干燥溫度為85～95℃，時間為10～20min；所述熱壓成型紙中的樹脂含量為50～54％。

7.如權(quán)利要求1所述的一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙的制備方法，其特征在于：所述步驟s3中，將附著樹脂的預(yù)成型紙雙層層疊放置在定制模具中，疊層總克重在50～70g/m2，在熱壓機(jī)上進(jìn)行熱壓固化處理，在壓力1～6mpa、溫度150～200℃的條件下熱壓固化處理1～3min，熱壓后在保持壓力狀態(tài)下隨儀器冷卻。

8.如權(quán)利要求1所述的一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙的制備方法，其特征在于：所述步驟s4中，碳化石墨化在抽真空或氬氣氣氛保護(hù)下進(jìn)行，碳化溫度為1000～1100℃，石墨化溫度為2200～2800℃，碳化石墨化時間為45～52h。

9.一種如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的制備方法制備的碳紙。

10.如權(quán)利要求9所述的一種碳紙，其特征在于：所述碳紙的氣體透過率＞2000ml·mm/(cm2·h·mmhg)，石墨化度＞65％，孔隙率≥80％，垂直向電阻率≤400mω·cm，水平向電阻率≤2.3mω·cm，拉伸強(qiáng)度為≥25mpa，彎曲模量為≥10mpa，厚度180～220μm，體積密度0.35～0.45g/cm3。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳紙及其制備方法，本發(fā)明以碳纖維為原料，采用硼酸溶液對碳纖維進(jìn)行預(yù)處理，然后將碳纖維均勻分散后采用濕法工藝制備碳紙?jiān)垼⒃诤娓赘稍锴坝煤餚VA膠進(jìn)行施膠后制成碳紙?jiān)?；再?jīng)酚醛樹脂浸漬、熱壓固化、碳化石墨化等制備方法制備成碳紙。該制備方法通過在前期碳紙?jiān)埑爝^程中將硼元素附著于碳纖維上，而硼及硼化物具有對碳纖維的增強(qiáng)效能以及在后續(xù)工藝中起催化石墨化的作用，有利于制備低電阻率、高強(qiáng)度碳紙。該制備方法制備的燃料電池用碳紙的表面性質(zhì)、機(jī)械性能、本征指標(biāo)等都具有良好的可控性，并有助于降低燃料電池歐姆阻抗，提升極化性能。

技術(shù)研發(fā)人員：田合鑫,王虹,劉江濤,陳曉濤,劉富亮,馮勇,楊代輝,史曉斐
受保護(hù)的技術(shù)使用者：貴州梅嶺電源有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10