CN101463578A

CN101463578A - 高强度碳化纸及其制备方法与用途

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Publication number: CN101463578A
Application number: CNA2007103005083A
Authority: CN
Inventors: 柯泽豪; 刘璟翰; 洪志荣; 廖元楷; 林瑞祥; 黄建钧
Original assignee: Feng Chia University
Current assignee: Feng Chia University
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-06-24

Abstract

一种高强度碳化纸及其制备方法及用途，该碳化纸系包含含有氧化纤维及聚酰胺纤维的混纺织物作为补强材，其具良好拉张强度与导电性，且以该碳化纸作为燃料电池的气体扩散层材料时，该燃料电池可提供优异的电池性能。本发明碳化纸亦可用作抗电磁波材料及补强用复合材料。

Description

高强度碳化纸及其制备方法与用途

技术领域

本发明关于一种高强度碳化纸及其制造方法与用途；特定言之，本发明系关于一种可制造供燃料电池中的气体扩散层材料用的碳化纸的方法及由此所提供的碳化纸。

背景技术

近年来，由于能源短缺及地球温室效应等因素，氢供系统的燃料电池(fuel cell)的发展已引起人们的注意。其原因主要在于燃料电池不但没有非充电电池用完即丢弃所导致的环保上的问题，也可免除传统充电电池必需进行耗时充电程序的缺点。此外，燃料电池的排放物(例如水)对环境也没危害。

在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(proton exchangemembrane fuel cell，PEMFC)与直接甲醇燃料电池(direct methanolfuel cell，DMFC)由于可在低温下操作，又可产生高电流密度，因此被广泛应用于许多领域。举例言之，PEMFC可使用于各种运输工具(如机动车辆、船艇及飞机等)的动力系统，且可作为家用、医院用、以及办公大楼用的联合发电系统的电源；DMFC则因具有系统结构简单、体积能量密度高、启动时间短以及燃料补充方便等优点，因此特别适合作为各种移动式或可携式的动力来源。

以PEMFC为例，其每一个单电池的主要构件系包括膜电极组(membrane-electrode assembly，MEA)以及具有气体流道的双极板(bipolar plates)。MEA通常是由一质子交换膜(一般为高分子膜，作为电解质)、二分别位于该质子交换膜两侧的触媒层、及二分别置于该二触媒层外侧的气体扩散层(另可称为「电极气体扩散层」)所组成。其中，可将触媒直接涂覆于质子交换膜两侧，以形成一经触媒涂覆的质子交换膜，再于该经涂覆质子交换膜两侧各配置一气体扩散层。或者，可将触媒涂覆于二气体扩散层上，再将质子交换膜配置于该二经触媒涂覆的气体扩散层之间，以提供一MEA。该MEA则插入二双极板(通常为石墨材质)之间，再进行外壳的封装，以提供一PEMFC。

有关PEMFC的作用机制，大致为使作为燃料的氢气透过气体扩散层而进入阳极触媒后，藉催化作用而产生氢离子与电子；其中电子经由阳极导至外电路，以形成电流，氢离子则透过质子交换膜抵达阴极触媒。氧气透过另一气体扩散层输入，以与氢离子及自外接电路送来的电子反应生成水，所产生的水则可直接排放至外界环境。

由以上说明可知，气体扩散层具有两项主要功能。第一项功能是藉由本身的多孔结构使得反应气体能够顺利地扩散进入并均匀地分布在触媒层上，以提供最大的电化学反应面积；第二项功能是将阳极催化反应所产生的电子导离阳极，以进入外电路，并同时将外电路来的电子导至阴极触媒层。基于此，气体扩散层必须采用多孔性材质且为电的良导体。此外，为避免气体扩散层的孔洞被液态水分子占据，阻碍反应气体的传送；因此，气体扩散层通常必须先经疏水性处理，让反应气体与必要的水分子蒸气能够顺利到达触媒层。

目前所用的气体扩散层有两种，一是碳布(carbon cloth)，另一则是碳纸(carbon paper)。现有用于燃料电池的气体扩散层的碳纸的制造方法，主要是采湿式造纸法，如美国专利第6,713,034号所教示。概言之，湿式造纸法系先将具约0.5至5毫米的纤维长度的碳纤维或石墨纤维与木浆、纤维素纤维或聚乙烯纤维等材料混合成纸浆，之后透过如JIS P-209方法进行加压及干燥等程序以获得含碳纤维纸张，接着将该纸张含浸于一树脂中，再经过热压、碳化等步骤，最后制得一碳纸。然而，根据上述造纸方式，为使碳纤维可均匀地分散而呈纸状，必须大量使用非导电性材料(如木浆、纤维素纤维、或聚乙烯纤维)，致使所得碳纸的电阻率较高；同时，所制得碳纸的拉张强度亦不尽理想。然而，当在组装电池组(例如包含2至100个单电池)时，使用具有高拉张强度的气体扩散层材料可使组装工程更为顺利。

基于上，本案发明人研究发现，将聚酰胺掺杂于氧化纤维中并制成混纺织物，有利于提供具高强度与高导电性的碳化纸。尤其将所得碳化纸施用于燃料电池作为气体扩散层材料时，该燃料电池可展现良好的功率密度与电流密度。

发明内容

本发明的一目的，在于提供一种制备高强度碳化纸的方法，包含以下步骤：提供一混纺织物，该织物包含氧化纤维及聚酰胺纤维，其中以纤维总量计，该聚酰胺纤维的含量为1至90重量％；于一惰性气体的保护下热处理该混纺织物，其中热处理温度为400至2500℃，热处理时间为5分钟至120小时；含浸该经热处理的织物于一树脂中；热压该经含浸的织物，以得到一织物补强纸；以及碳化该织物补强纸。

本发明的另一目的，在于提供一种高强度碳化纸，其系由如上所述的方法所制得。

本发明的又一目的，在于提供一种燃料电池，其特点在于其阳极及阴极中至少一者系含有本发明的高强度碳化纸。

附图说明

图1系根据本发明的一种制备本发明碳化纸的方法的流程图；

图2系本发明碳化纸的实体图；以及

图3系含有本发明碳化纸的燃料电池与先前技术者的电池性能比较。

具体实施方式

本发明制备高强度碳化纸的方法系包含以下步骤：

(a)提供一混纺织物，包含氧化纤维及聚酰胺纤维，其中以纤维总量计，该聚酰胺纤维的含量为1至90重量％；

(b)于一惰性气体的保护下热处理该混纺织物，其中热处理温度为400至2500℃，热处理时间为5分钟至120小时；

(c)含浸该经热处理的织物于一树脂中；

(d)热压该经含浸的织物，以得到一织物补强纸；以及

(e)碳化该织物补强纸。

根据本发明方法，为避免纤维于热处理过程中灰化，该热处理步骤宜于惰性气体保护下进行。举例言之，可采用选自下列群组的惰性气体以进行热处理：氮气、氦气、氩气、及其组合。可进一步于热处理步骤中控制混纺织物的收缩度或拉伸度，以调整所提供碳化织物的透气度或强度。该控制可藉由调整混纺织物供应至高温炉(以进行热处理)以及自高温炉送出的速度而达成。具体言之，当混纺织物自高温炉送出的速度小于其供应速度时，则可收缩该混纺织物，此可避免所得碳化织物的透气度过高；反之，则可拉伸该混纺织物，此可提高所得碳化织物的强度，有利于作为补强材料。一般而言，进行收缩控制时，系控制收缩度在40％以内，较佳在25％以内；而若进行拉伸控制，则控制拉伸度在25％以内。

本发明方法中的热处理步骤可以两阶段的方式进行，即，为一两阶段的热处理程序，包含第一热处理步骤及第二热处理步骤。其中，第一热处理步骤系于400至1000℃下进行，第二热处理步骤则于1000至2500℃下进行，该二热处理步骤的进行时间各自为5分钟至120小时。于此，当采用两阶段方式进行此一热处理时，通常系于第一热处理步骤中进行混纺织物的收缩或拉伸的控制。

本发明所采的混纺织物含有氧化纤维及聚酰胺纤维，其中以纤维总量计，聚酰胺纤维的含量为1至90重量％，较佳为5至50重量％，更佳为10至40重量％。经发现，聚酰胺纤维于上述热处理后会形成具高导电性的碳化物。因此，于不受理论限制之下，通常越高的聚酰胺纤维掺混量，越有助于改善所得混纺织物的导电性，有利于最终所提供碳化纸作为气体扩散层的材料。

可于本发明方法采用任何合宜的聚酰胺纤维。举例言之，可采用芳族聚酰胺(aromatic polyamide)纤维，其特定的实施方式如杜邦公司生产的Normex或Kevlar、帝人公司生产的Technora、及Teijin Twaron公司生产的Twaron等市售产品。

可使用任何适合的氧化纤维于本发明方法。一般而言，该氧化纤维可经由热处理一选自以下群组的纤维所提供：聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)纤维、沥青纤维、酚醛纤维、纤维素纤维、及其组合。举例言之，可经由在空气中、于200至300℃的温度下热处理PAN纤维而提供适用于本发明的氧化纤维。亦可直接使用市售可得的防火纤维为本发明方法中的氧化纤维，例如SGL Carbon Group公司出产的Panox、Toho Tenax公司出产的Pyromex、Zoltek公司出产的Pyron及AsahiKasei公司出产的Lastan等市售可得产品；该等防火纤维的直径在13微米以上，密度在1.35克/立方公分以上，限氧指数(limiting oxygenindex，LOI)在40％以上。

根据本发明方法，该混纺织物可经由以下步骤提供：

(i)混合该氧化纤维与该聚酰胺纤维，以提供一纤维混合物；

(ii)将该纤维混合物加以纺纱，以提供一混纺纱；以及

(iii)将该混纺纱加以织布得到一混纺织布，以提供该混纺织物。

举例言之，可于混合步骤中，依照预订重量比例将0.5至30公分(较佳为1至20公分)长的氧化纤维与聚酰胺纤维置入一混纺机内以均匀分散的，得到混合均匀的纤维混合物。其中，氧化纤维与聚酰胺纤维的使用量与种类均如上述，于此不另行说明。

接着，将所得纤维混合物加以纺纱。该纺纱步骤可采一次完成或利用一粗纺工程与一细纺工程而实施。以后者为例，先将纤维混合物进行3至10倍的牵伸以得到粗纱；再将所得粗纱进行8至15倍的牵伸以得到细纱，从而提供所欲的混纺纱。之后，可视需要对细纱进行并线工程，将两股细纱并线而提供双股形式的混纺纱。

之后，可利用任何合宜的织布技术对该混纺纱进行织布工程，以提供混纺织布。举例言之，可利用梭织法、针织法、或其组合；其中，当利用梭织法时，可提供具平纹编织或斜纹编织的混纺织布，当利用针织法时，则可提供具针织结构的混纺织布。由此所提供的混纺织布通常具有以下物性：厚度为0.1至1毫米，重量为50至500克/平方公尺，以及纱密度为10至100纱数/英时。

本发明方法中所用的混纺织物，亦可为经由将含有氧化纤维与聚酰胺纤维的纤维混合物加以轧针所提供的混纺毡(mixed spun felt)，此可透过一轧针机来达成。利用此方式所制得的混纺毡的厚度一般为0.1至2毫米，重量为40至500克/平方公尺。

根据本发明方法，于热处理步骤之后，将该经热处理的织物含浸于一树脂中。热固性树脂、热塑性树脂、及其组合，皆可作为本发明含浸步骤的树脂材料，较佳系采用于室温下具有流动性(易于施行含浸步骤)且经碳化后仍具导电性(避免影响所得碳化纸的导电性)的树脂材料。举例言之，用以含浸纤维织物的树脂可包含(但不限于此)酚醛树脂、呋喃树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、或其组合。其中，较佳系使用酚醛树脂。藉由此含浸步骤，使织物于含浸后，以织物总重量计，含有0.01至40重量％的树脂，较佳含有0.01至20重量％的树脂。

可以任何合宜的方式进行上述含浸步骤。举例言之，可利用一挤压装置(squeezing apparatus)来辅助达成，其包含先将经热处理的织物浸渍于一树脂液中，再透过该挤压装置挤压该经浸渍树脂的织物，以使树脂均匀分布于织物纤维间，并可藉由调整该挤压装置的滚轮而控制树脂的施用量。

接着，热压该经树脂含浸的织物以固化树脂，得到一织物补强纸。根据本发明方法，该热压步骤一般系于50至320℃的温度下及1至200公斤/平方公分的压力下进行，较佳系于60至150℃的温度下及5至50公斤/平方公分的压力下进行。热压所得的织物补强纸，一般具有0.05至0.7毫米的厚度。

此外，在上述含浸步骤之后，可视情况先对经含浸的织物进行一烘干操作，再接着进行热压程序。烘干作业一般系于60至120℃的温度下进行，且可视需要于通气下操作。

最后，碳化该织物补强纸，以提供一碳化纸。根据本发明方法，该碳化步骤系于1000至3000℃的温度下进行，历时约2分钟至48小时。于本发明方法的一具体实施方式中，为避免织物补强纸于热处理过程中灰化，该碳化步骤系于真空条件下或一惰性气体存在下进行。举例言之(但不以此为限)，可于选自以下群组的气体氛围中进行此一碳化处理：氮气、氦气、氩气、及其组合。

图1系绘示根据本发明制备碳化纸方法的一操作流程，其中，可先将氧化纤维与聚酰胺纤维混合均匀后进行纺纱工程、织布工程以得到一混纺织布，或者进行轧针工程以得到一混纺毡；接着进行热处理；其后，将经热处理后的织物含浸于一树脂中；随后，热压该经含浸树脂的织物以得到一织物补强纸；最后，进行碳化处理，获得最终成品的高强度碳化纸。

由上述方法所提供的碳化纸，其具高强度，且当施用于燃料电池的电极中以提供气体扩散层时，可提供具良好电池效能(例如高功率密度及高电流密度)的燃料电池。

因此，本发明另关于一种高强度碳化纸，其系以如上所述的方法而制得。除应用于燃料电池外，该碳化纸另可作为抗电磁波材料及补强用复合材料。

本发明碳化纸一般具有0.02至0.7毫米的厚度、20至250公克/平方公尺的重量、与不高于950mΩ的穿透电阻及不高于1.0Ω/sq.的表面电阻。较佳地，该碳化纸的穿透电阻(纸厚度方向的电阻)系不高于700mΩ且表面电阻系不高于0.8Ω/sq.。如上所述，本发明混合氧化纤维与聚酰胺纤维，并经由热处理以提供作为本发明碳化纸的织物补强材。如后附实施例中所显示，相较于先前技术，本发明碳化纸的穿透电阻较低，即导电性较高，在燃料电池单电池测试中，可展现较高的电池效能(如电流密度与功率密度)。此外，相较于湿式造纸法所提供的碳化纸，本发明碳化纸所含织物补强材的空隙分布较为均匀，此可使气体均匀地扩散，亦可确保燃料电池的效能。

再者，本发明碳化纸具有不低于0.35MPa的拉张强度，较佳不低于0.45MPa，更佳不低于1MPa；此可弥补传统湿式造纸法所得碳化纸拉伸强度不理想的缺失。同时，本发明碳化纸具有高挠曲性(如图2所示)，可改善传统碳化纸脆性的问题，有利于电池模组的组装工程。

本发明亦关于一种燃料电池，其特点在于其阳极与阴极中至少一者系含有本发明高强度碳化纸，较佳为阳极与阴极二者皆包含本发明高强度碳化纸。

概言之，根据本发明的燃料电池主要包含：一阳极气体扩散层、一阴极气体扩散层、及一位于该两者之间的电解质，其进一步含有位于该阳极气体扩散层与该电解质之间的阳极触媒、及位于该阴极气体扩散层与该电解质之间的阴极触媒，以进行催化反应从而提供电能。如前述关于先前技术的说明，燃料电池中各元件的材料与结构，系此技术领域中具有通常知识者所熟知者。举例言之，可参见中国台湾专利第I272739号及美国专利公开第2007/0117005A1号，其所揭露内容均并于此处以供参考。

本发明燃料电池的实施方式包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)及直接甲醇燃料电池(DMFC)。以PEMFC为例，其一般包含由本发明碳化纸所构成的阳极气体扩散层及/或阴极气体扩散层、作为电解质的高分子质子交换膜(如杜邦公司的Nafion系列产品)、及贵重金属触媒层(如钯或铂触媒)。或者，可直接使用覆有触媒的质子交换膜(如美国哥尔公司(Gore)贩售产品，型号：5621 MESGA)与本发明的碳化纸搭配使用，以提供一PEMFC。

如后附实施例所例示的电池性能测试结果显示，含有本发明碳化纸的燃料电池，可展现良好的功率密度与电流密度。

兹以下列具体实施方式以进一步例示说明本发明，其中，所采用的量测仪器及方法分别如下：

(A)透气度量测方法

透气度量测仪：Gurley Model 4320，美国

测量规范：ASTM D726-58

透气度用圆桶容量：300cc

透气度用圆桶重量：5oz

量测面积：1平方英时

将试样置入透气度量测仪的托架中，参照ASTM D726-58测试标准程序操作软体。

(B)电池性能量测方法

电池测试机台： PD50 Asia Fuel Cell Technologies，Ltd.

电池负载机型号：Chroma 63103

测试条件：

阳极燃料：氢气(99.999％)，流速200c.c./分钟

阴极燃料：氧气(工业用)，流速200c.c./分钟

阳极阴极增湿温度：40℃

增湿瓶出口相对湿度：90％

电池测试温度：40℃

电池组装扭力：40公斤重-公分(kgf cm)

电池反应面积：25平方公分

将试片裁切为5公分×5公分大小，将其与美国Gore所生产的经触媒涂覆膜(catalyst-coated membrane，CCM，型号：

Series 5621MESGA，具有35微米厚度及45Pt合金/60Pt)，以40公斤重-公分扭力组合，双极板采用具栅栏状(gate-type)的沟渠的石墨板，最后再利用不锈钢板及聚四氟乙烯衬垫(Teflon Gasket)封装成一个测试用的单电池，以进行测试。

(C)穿透电阻量测方法

测试标准：ASTM-D 6120

利用真密度仪得到一试片的真实体积(V_real)，将真实体积除以试样厚度，计算受1巴压力下每1平方公分的真实面积(A_real)。利用两铜片夹住试片，在强力试验机下设定终点荷重1巴，连结电阻计得到受1巴压力下的电阻值，并利用下列公式换算得到电阻系数：

电阻值(Ω)＝电阻系数(ρ)×厚度/真实面积

(D)拉伸试验量测方法

测试标准：ASTM-D790

仪器设备：骏彦精机万能试验机(型号：CY-6040A8)

测试条件：桥距为10毫米，夹头速度为2毫米/分钟

挠曲强度(flexural or bending strength)：

σ_{b} = \frac{{3 P}_{\max} L}{2 b t^{2}}

挠曲模数(flexural or bending modulus)：

E_{b} = (\frac{L^{3}}{4 b t^{3}}) (\frac{P}{δ})

P/δ：S-S曲线初始斜率

P_max：最大负荷(公斤，Kg)

L：桥距

b：试片宽度

t：试片厚度

(E)表面电阻测试方法

表面电阻测试机台：Loresta GP Model MCP-T600，Mitubishi化学公司(Mitubishi Chemical Corp.)

将试片裁切为5公分×5公分大小，依照JIS K 7194规范进行测试。

实施例1

采用由Zoltek公司所生产的Pyron作为氧化纤维及Teijin Twaron公司所产生的Twaron作为聚酰胺纤维，纤维长度为5公分。

将60重量％的氧化纤维与40重量％的聚酰胺纤维均匀混合后，进行轧针工程，制得一厚度为0.79毫米且重量为160克/平方公尺的混纺毡。

将上述混纺毡先于氮气保护下，在1000℃下进行热处理历时5分钟，以提供一预碳化混纺毡；再将该混纺毡含浸于酚醛树脂(中国台湾长春人造公司制造，型号：PF-650)之中。接着，将经含浸的混纺毡于70℃下烘干15分钟，再于170℃下热压处理15分钟，使酚醛树脂完全硬化。最后，于氮气保护下，在1400℃下热处理5分钟，获得厚度为0.42毫米且重量为117克/平方公尺的具多孔性的高强度碳化纸。

利用上述测试方法进行各项测试，其中于电池性能测试中，所得碳化纸系用于阳极与阴极，量测的各性质系如表1所列，电池效能结果系如表2及图3中所示。

实施例2

使用与实施例1相同的原料与步骤，惟混纺毡系于氮气保护下，在1800℃下进行热处理5分钟，以提供一预碳化混纺毡。所得碳化纸厚度为0.52毫米且重量为107克/平方公尺。利用上述测试方法进行各项测试，其中于电池性能测试中，所得碳化纸系用于阳极与阴极，量测的各性质系如表1所列，电池效能结果系如表2及图3中所示。

实施例3

采用由Toho Tenax公司所生产的Pyromex作为氧化纤维及TeijinTwaron公司所产生的Twaron作为聚酰胺纤维，该等纤维均为长度为50毫米的短纤维。

将70重量％的氧化纤维与30重量％的聚酰胺纤维均匀混合后，经过粗纺机的延伸，形成粗纱；再经过细纱机的再次延伸，得到细纱。接着，再进行并线，以得到具有20/2s’的两股纱线。

使用所得两股纱线作为经纱和纬纱，以分别为32纱线/英时及26纱线/英时的经纱密度和纬纱密度进行编织，得到一厚度为0.57毫米且重量为250克/平方公尺的混纺织布。

将上述混纺织布先于氮气保护下，在1000℃下进行热处理历时5分钟，并控制织物的收缩度为20％，以提供一预碳化混纺织布；再将该混纺织布含浸于酚醛树脂(中国台湾长春人造公司制造，型号：PF-650)之中。接着，将经含浸的混纺织布于70℃下烘干15分钟，再于170℃下热压处理15分钟，使酚醛树脂完全硬化。最后，于氮气保护下，在1400℃下热处理5分钟，获得厚度为0.50毫米且重量为145克/平方公尺的具多孔性的高强度碳化纸。

实施例4

使用与实施例3相同的原料与步骤，惟混纺织布系于氮气保护下，在1800℃下进行热处理5分钟，以提供一预碳化混纺织布。

所得碳化纸厚度为0.54毫米且重量为144克/平方公尺。利用上述测试方法进行各项测试，其中于电池性能测试中，所得碳化纸系用于阳极与阴极，量测的各性质系如表1所列，电池效能结果系如表2及图3中所示。

实施例5

采用由Toho Tenax公司所生产的Pyromex作为氧化纤维及帝人公司所产生的Technora作为聚酰胺纤维，该等纤维均为长度为50毫米的短纤维。

重复实施例3的混纺、纺纱及并线步骤以得到具有20/2s’的两股纱线；惟，采用86重量％的氧化纤维及14重量％的聚酰胺纤维的纤维混合物。

使用所得两股纱线作为经纱和纬纱，以分别为27纱线/英时及24纱线/英时的经纱密度和纬纱密度，进行平纹编织，得到一厚度为0.47毫米且重量为215克/平方公尺的混纺织布。

将上述混纺织布先于氮气保护下，在1800℃下进行热处理历时5分钟，并控制织物的收缩度为20％，以提供一预碳化混纺织布；再将该混纺织布含浸于酚醛树脂(中国台湾长春人造公司制造，型号：PF-650)之中。接着，将经含浸的混纺织布于70℃下烘干15分钟，再于170℃下热压处理15分钟，使酚醛树脂完全硬化。最后，于氮气保护下，在1400℃下热处理5分钟，获得厚度为0.39毫米且重量为121克/平方公尺的具多孔性的高强度碳化纸。

比较实施例1

采用Toray公司所生产的商用碳纸，型号为TGPH-120，厚度为0.37毫米，重量为171克/平方公尺。

利用上述测试方法进行各项测试，其中于电池性能测试中，该商用碳纸系用于阳极与阴极，量测的各性质系如表1所列，电池效能结果系如表2及图3中所示。

比较实施例2

采用Toray公司所生产的商用碳纸，型号为TGPH-090，厚度为0.28毫米，重量为162克/平方公尺。

表1

	穿透电阻(mΩ)	表面电阻(Ω/sq)	透气度(cm³/cm²/s)	拉张强度(MPa)
	穿透电阻(mΩ)	表面电阻(Ω/sq)	透气度(cm³/cm²/s)	拉张强度(MPa)	实施例1	902	0.72	93	0.48
实施例2	821	0.72	155	0.38	实施例1	902	0.72	93	0.48
实施例2	821	0.72	155	0.38	实施例3	460	0.56	82	1.28
实施例4	595	0.74	42	1.43	实施例3	460	0.56	82	1.28
实施例4	595	0.74	42	1.43	实施例5	672	0.89	116	0.41
比较实施例1	989	0.14	24	0.26	实施例5	672	0.89	116	0.41
比较实施例1	989	0.14	24	0.26	比较实施例2	1378	0.21	28	0.20

表2

	最大功率密度(mW/cm²)	0.5V下的电流密度(mA/cm²)	0.3V下的电流密度(mA/cm²)
	最大功率密度(mW/cm²)	0.5V下的电流密度(mA/cm²)	0.3V下的电流密度(mA/cm²)	实施例1	626.4	1189.2	1976.4
实施例2	441.3	836.5	1290.2	实施例1	626.4	1189.2	1976.4
实施例2	441.3	836.5	1290.2	实施例3	651.6	1234.8	1996.8
实施例4	626.9	1187.0	1763.1	实施例3	651.6	1234.8	1996.8
实施例4	626.9	1187.0	1763.1	实施例5	281.2	512.3	864.2
比较实施例1	511.2	941.6	1554.0	实施例5	281.2	512.3	864.2
比较实施例1	511.2	941.6	1554.0	比较实施例2	152.0	298.4	465.8

由表1及表2可知，相较于商用碳纸(比较例1及2)，本发明碳化纸(实施例1至5)的穿透电阻较低，即于厚度方向具有较佳的导电性。同时，本发明碳化纸(实施例1至5)具有较佳的拉张强度，非常适用于电池组的组装工程的需求。

上述的实施例仅用以例举说明本发明的实施方式，以及阐释本发明的技术特征，并非用以限制本发明的保护范畴。任何熟悉本发明所属技术领域者可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以下述的申请专利范围为准。

Claims

1.一种制备高强度碳化纸的方法，包含以下步骤：

提供一混纺织物，包含氧化纤维及聚酰胺纤维，其中以纤维总量计，该聚酰胺纤维的含量为1至90重量％；

于一惰性气体的保护下热处理该混纺织物，其中热处理温度为400至2500℃，热处理时间为5分钟至120小时；

含浸该经热处理的织物于一树脂中；

热压该经含浸的织物，以得到一织物补强纸；以及

碳化该织物补强纸。

2.如权利要求1所述的方法，其中系于该热处理步骤中控制该混纺织物的纤维收缩度于40％以内。

3.如权利要求2所述的方法，其中系于该热处理步骤中控制该混纺织物的纤维收缩度于25％以内。

4.如权利要求1所述的方法，其中该惰性气体系选自以下群组：氮气、氦气、氩气、或其组合。

5.如权利要求1所述的方法，其中该热处理步骤系包含一第一热处理步骤及一第二热处理步骤，该第一热处理步骤系于400至1000℃下进行历时5分钟至120小时，该第二热处理步骤系于1000至2500℃下进行历时5分钟至120小时。

6.如权利要求5所述的方法，其中系于该第一热处理步骤中控制该混纺织物的纤维收缩度于40％以内。

7.如权利要求6所述的方法，其中系于该第一热处理步骤中控制该混纺织物的纤维收缩度于25％以内。

8.如权利要求1所述的方法，其中于该混纺织物中，以纤维总量计，该聚酰胺纤维的含量为5至50重量％。

9.如权利要求8所述的方法，其中于该混纺织物中，以纤维总量计，该聚酰胺纤维的含量为10至40重量％。

10.如权利要求1所述的方法，其中该聚酰胺纤维包含环状聚酰胺纤维。

11.如权利要求1所述的方法，其中该氧化纤维系由热处理一选自以下群组的纤维所提供：聚丙烯腈纤维、沥青纤维、酚醛纤维、纤维素纤维、或其组合。

12.如权利要求11所述的方法，其中该氧化纤维系由热处理聚丙烯腈纤维所提供。

13.如权利要求1所述的方法，其中该氧化纤维与该聚酰胺纤维的长度为0.5至30公分。

14.如权利要求13所述的方法，其中该氧化纤维与该聚酰胺纤维的长度为0.5至20公分。

15.如权利要求1所述的方法，其中该混纺织物系经以下步骤制得：

混合该氧化纤维与该聚酰胺纤维，以提供一纤维混合物；

将该纤维混合物加以纺纱，以提供一混纺纱；以及

将该混纺纱加以织布，以提供该混纺织物。

16.如权利要求1所述的方法，其中该混纺织物系经以下步骤制得：

混合该氧化纤维与该聚酰胺纤维，以提供一纤维混合物；以及

将该纤维混合物加以轧针，以提供该混纺织物。

17.如权利要求1所述的方法，其中该含浸步骤系使含浸后的织物含有0.01至40重量％的树脂(以织物总重计)。

18.如权利要求17所述的方法，其中该含浸步骤系使含浸后的织物含有0.01至20重量％的树脂(以织物总重计)。

19.如权利要求1所述的方法，其中该树脂系选自以下群组：酚醛树脂、呋喃树酯、聚酰胺树酯、聚酰亚胺树酯、或其组合。

20.如权利要求19所述的方法，其中该树脂系酚醛树脂。

21.如权利要求1所述的方法，进一步包含于该含浸步骤后、该碳化步骤前，于60至120℃下烘干该经含浸的织物。

22.如权利要求1所述的方法，其中该热压步骤系于50至320℃的温度下及1至200公斤/平方公分的压力下进行。

23.如权利要求22所述的方法，其中该热压步骤系于60至150℃的温度下及5至50公斤/平方公分的压力下进行。

24.如权利要求1所述的方法，其中该碳化步骤系于1000至3000℃下进行历时2分钟至48小时。

25.如权利要求1所述的方法，其中该碳化步骤系于真空条件下或一惰性气体存在下进行。

26.如权利要求25所述的方法，其中该惰性气体系选自以下群组：氮气、氦气、氩气、或其组合。

27.一种高强度碳化纸，其系以如权利要求1至26中任一项所述的方法制备而得。

28.如权利要求27所述的碳化纸，其拉张强度系不低于0.35MPa。

29.如权利要求27所述的碳化纸，其系作为抗电磁波材料或补强用复合材料、或用于燃料电池的气体扩散层材料。

30.一种燃料电池，其特征在于其阳极及阴极中至少一者含有如权利要求27至29中任一项所述的碳化纸。

31.如权利要求30的燃料电池，其中该阳极与阴极皆由如权利要求27至29中任一项的碳化织物所构成。

32.如权利要求30的燃料电池，其系一质子交换膜燃料电池或一直接甲醇燃料电池。