CN103114495B

CN103114495B - 一种燃料电池电极扩散层用碳纸及其制备方法

Info

Publication number: CN103114495B
Application number: CN201310056822.7A
Authority: CN
Inventors: 王虹; 李荣年; 汤人望
Original assignee: Purui Science & Technology Co Ltd Zhejiang Prov
Current assignee: Zhejiang Pengchen Paper Research Institute Co., Ltd.
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2033-02-22
Also published as: CN103114495A

Abstract

本发明提供了一种燃料电池电极扩散层用碳纸及其制备方法，属于碳纸及其制备方法技术领域，其特点是该碳纸由碳纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈浆粕纤维为原料，经疏解、打浆、配浆等工艺步骤，采用斜网造纸机或侧流式圆网造纸机湿法造纸工艺抄纸，再经热压和高温炭化处理制成。本法制成的燃料电池电极扩散层用碳纸不仅具有良好的强度和均匀性、较高的透气度和优异的导电性，而且生产工艺简单。

Description

一种燃料电池电极扩散层用碳纸及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纸及其制备方法，更具体地说，本发明涉及一种质子交换膜燃料电池电极扩散层用碳纸及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种在等温条件下，不经过燃烧直接以电化学反应将贮存在燃料和氧化剂中的化学能高效且环境友好地转化为电能的装置。它是一种功率密度高、能量转换率高、低温启动、无污染、体积轻巧的新型绿色环保清洁能源。

碳纸是制备燃料电池电极扩散层的重要材料，具有均匀的多孔质结构，良好的强度和优异的导电性能，是燃料电池的核心部件，可起到支撑催化层，为电极反应提供电子通道、气体通道及排水通道的作用。碳纸通常是由碳纤维加适量胶粘剂抄造成纸，再浸渍可炭化树脂、热压固化定型、高温炭化处理制成。在CN1643213专利中就描述了采用碳纤维和聚乙烯醇（PVA）粘结剂抄造原纸，经浸渍热固性树脂、热压、炭化等后处理制成碳纸的方法。木士春、刘珊珊等人在CN1734812A专利中则提供了一种由碳纤维毡、碳黑及粘合剂复合成基纸，再经浸渍树脂、热压、炭化制成碳纸的方法。而汪树军等人则在CN1377930A中公开了一种由石油重组分替代树脂制备碳纸的方法。在以上制备方法中由于均需通过浸渍树脂对碳纤维进行粘合，赋予炭化后碳纸较好的强度，故制备碳纸的后处理工序较复杂，且树脂浸渍的均匀性问题也可能影响到成品碳纸的均匀性。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种抄纸工艺简单，无需进行树脂浸渍处理而性能良好的燃料电池电极扩散层用碳纸。

本发明的另一个目的是提供上述碳纸的制备方法。

本发明的一种燃料电池电极扩散层用碳纸，以碳纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯腈浆粕纤维为原料，所述的原料重量百分比为碳纤维45%～55%、聚丙烯腈纤维15%～35%、聚丙烯腈浆粕纤维20%～30%，经疏解、打浆、配浆后用斜网造纸机或侧流式圆网造纸机湿法造纸工艺抄纸，然后在230℃~280℃温度下热压定型30~90秒钟，并在惰性气氛及1800℃~2200℃温度下高温炭化处理2~3小时制成。

所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维之一或其组合，其纤维长度为4mm~6mm，纤维直径为7μm~15μm。

所述的聚丙烯腈纤维长度为3mm~5mm，纤维直径为10μm~18μm。

所述聚丙烯腈浆粕纤维为具有表面微纤状疏松羽毛形树状结构特征的原纤化纤维，纤维长度2mm~6.5mm。

本发明的一种燃料电池电极扩散层用碳纸的制备方法，包括以下步骤：

1）取质量份数为45～55份的碳纤维放入带搅拌器的分散桶中，加入适量水，使碳纤维在水中浓度为0.5%~0.8%，加入适量分散剂并搅拌疏解至碳纤维均匀分散于水相中，形成碳纤维浆料；

2）取质量份数为15～35份的聚丙烯腈纤维放入带搅拌器的分散桶中，加入适量水，使聚丙烯腈纤维在水中浓度为1.5%~2.5%，加入分散剂并充分搅拌至聚丙烯腈纤维均匀分散于水相中，形成聚丙烯腈纤维浆料；

3）取质量份数为20～30份的聚丙烯腈浆粕纤维放入已贮有适量水的打浆机内，纤维在水中的浓度为2%~3%，先疏解10～20min，再下轻刀打浆30min～60min，待纤维完全分散，无小浆点且测试浆料打浆度为45⁰SR～65⁰SR时起刀；

4）将上述三种浆料全部放入配浆池中，加水至浓度为1.0%~2.0%，加适量分散剂至粘度为58S~65S，即为混合浆料；

5）将步骤4）中所述混合浆料输送至斜网造纸机或侧流式圆网造纸机抄造成单位面积重量为100g/m²~125g/m²的原纸；

6）将步骤5）中的原纸裁成需要的尺寸，放入平板硫化机中在230℃~280℃温度下热压30~90秒钟；

7）将步骤6）中热压定型后的碳纸置入高温炭化炉中，通入惰性气氛，在1800℃~2200℃温度下炭化处理2~3小时，即得到用于燃料电池电极扩散层的碳纸。

步骤1）、2）和4）中所加分散剂为阴离子聚丙烯酰胺或聚氧化乙烯；步骤1）和2）中分散剂加入量以控制浆料水相粘度为58秒~70秒为准。

上述燃料电池电极扩散层用碳纸的制备方法，所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维之一或其组合，其纤维长度为4mm~6mm，纤维直径为7μm~15μm；所述的聚丙烯腈纤维长度为3mm~5mm，纤维直径为10μm~18μm；所述聚丙烯腈浆粕纤维为具有表面微纤状疏松羽毛形树状结构特征的原纤化纤维，纤维长度2mm~6.5mm。

与背景技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明采用了聚丙烯腈浆粕作为抄造碳纸的纤维原料之一，它是聚丙烯腈纤维的一种新型的差别化、功能性产品。普通的聚丙烯腈纤维与碳纤维之间无结合力，因此，仅使用碳纤维与普通聚丙烯腈纤维配伍抄造碳纸原纸不能成型，只能使用胶粘剂增强，不仅使抄纸工艺及设备复杂化，而且因胶粘剂的大量使用导致碳化后的碳纸强度降低。与之不同，聚丙烯腈浆粕是具有疏松羽毛形树状结构的原纤化纤维，每条枝干上都附有大量微纤，当它与碳纤维配伍抄纸过程中会捕捉和紧密地缠绕到碳纤维上，形成纤维间的相互交织，无需施涂胶粘剂即可使抄造的原纸具有初步的强度，简化了抄纸工艺。

2）原纸在热压时其中的聚丙烯腈纤维及浆粕软化并局部熔融，进一步强化了它们与碳纤维之间的粘合作用，使原纸定型并获得良好的强度。由于聚丙烯腈纤维及浆粕是含碳量较高的化学物，它本身就是制造碳纤维的原料，因此，当热压后的基纸在高温炭化后，其中所含聚丙烯腈纤维及浆粕的残碳量也较高，仍然能保持它原有的纤维形态和与碳纤维之间的粘结状态，从而赋予成品碳纸良好的强度。本发明的制备方法中聚丙烯腈纤维及浆粕取代了前述背景技术中浸渍用树脂的作用，从而省去了树脂浸渍工序，简化了碳纸后加工工艺，且制成碳纸的强度和均匀性较好。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

将45份聚丙烯腈基碳纤维（纤维长度4mm，直径7μm）放入带搅拌器的分散桶中，加水和阴离子聚丙烯酰胺分散剂，其中碳纤维浓度为0.5%，水相粘度70秒，充分搅拌、疏解至碳纤维完全分散为单根纤维。

将30份聚丙烯腈纤维（纤维长度5mm，直径18μm）放入带搅拌器的分散桶中，加水和阴离子聚丙烯酰胺分散剂，其中聚丙烯腈纤维浓度为1.5%，水相粘度60秒，充分搅拌至聚丙烯腈纤维均匀分散于水中。

将25份聚丙烯腈浆粕（纤维长度2mm）放入已贮有适量水的打浆机内，纤维在水中的浓度为2%，先疏解10min，再下轻刀打浆30min，待纤维完全分散，无小浆点，测试浆料打浆度达48⁰SR，起刀后浆料放入配浆池，同时将已分散的碳纤维和聚丙烯腈纤维也放入配浆池，补加水和阴离子聚丙烯酰胺分散剂，配成浆浓为1.0%，粘度为60S的混合浆料。

用侧流式圆网造纸机抄造成单位面积重量为125g/m²的基纸，裁成一定尺寸后放入平板硫化机中热压，热压温度为280℃，时间为30秒。随后置于高温炭化炉中，通入N₂，以10℃/分速率升温，至2000℃后保温2.5小时，冷却后制得抗张强度4.1kN/m，厚度0.19mm，透气度285L/m².S，电阻率0.015Ω.cm的燃料电池电极扩散层用碳纸。

本实施例中的份数均为重量份数，浓度为重量百分浓度，以下实施例也采用同样的表示方法。

所用的惰性气体可以是高纯的氮气、氩气或氦气，但一般多用高纯氮气。

实施例2：

将25份聚丙烯腈基碳纤维（纤维长度4mm，直径7μm）和25份沥青基碳纤维（纤维长度6mm，直径15μm）分别放入两只带搅拌器的分散桶中，加水和聚氧化乙烯（PEO）分散剂，使浆浓分别为0.5%和0.8%，水相粘度分别为65秒和60秒，充分搅拌、疏解至碳纤维完全分散为单根纤维。

将23份聚丙烯腈纤维（纤维长度5mm，直径18μm）放入带搅拌器的分散桶中，加水和聚氧化乙烯（PEO）分散剂，其中聚丙烯腈纤维浓度为2.0%，水相粘度58秒，充分搅拌至聚丙烯腈纤维均匀分散于水中。

将27份聚丙烯腈浆粕（纤维长度2mm）放入已贮有适量水的打浆机内，纤维在水中的浓度为2.5%，先疏解20min，再下轻刀打浆45min，待纤维完全分散，无小浆点，测试浆料打浆度达55⁰SR，起刀后浆料放入配浆池，同时将已分散的碳纤维和聚丙烯腈纤维也放入配浆池，补加水和聚氧化乙烯（PEO）分散剂，配成浆浓为1.3%，粘度为60S的混合浆料。

用斜网造纸机抄造成单位面积重量为116g/m²的基纸，裁成一定尺寸后放入平板硫化机中热压，热压温度为260℃，时间为45秒。随后置于高温炭化炉中，通入N₂，以12℃/分速率升温，至2200℃后保温2.0小时，冷却后制得抗张强度3.8kN/m，厚度0.20mm，透气度315L/m².S，电阻率0.009Ω.cm的燃料电池电极扩散层用碳纸。

实施例3：

将55份沥青基碳纤维（纤维长度6mm，直径15μm）放入带搅拌器的分散桶中，加水和阴离子聚丙烯酰胺分散剂，使浆浓为0.80%，水相粘度为65秒，充分搅拌、疏解至碳纤维完全分散为单根纤维。

将15份聚丙烯腈纤维（纤维长度5mm，直径18μm）放入带搅拌器的分散桶中，加水和阴离子聚丙烯酰胺分散剂，其中聚丙烯腈纤维浓度为1.5%，水相粘度68秒，充分搅拌至聚丙烯腈纤维均匀分散于水中。

将30份聚丙烯腈浆粕（纤维长度2mm）放入已贮有适量水的打浆机内，纤维在水中的浓度为3.0%，先疏解15min，再下轻刀打浆60min，待纤维完全分散，无小浆点，测试浆料打浆度达65⁰SR，起刀后浆料放入配浆池，同时将已分散的碳纤维和聚丙烯腈纤维也放入配浆池，补加水和阴离子聚丙烯酰胺分散剂，配成浆浓为1.5%，粘度为65S的混合浆料。

用侧流式圆网造纸机抄造成单位面积重量为108g/m²的基纸，裁成一定尺寸后放入平板硫化机中热压，热压温度为230℃，时间为90秒。随后置于高温炭化炉中，通入N₂，以15℃/分速率升温，至1900℃后保温3.0小时，冷却后制得抗张强度4.0kN/m，厚度0.20mm，透气度328L/m².S，电阻率0.018Ω.cm的燃料电池电极扩散层用碳纸。

实施例4：

将45份聚丙烯腈基碳纤维（纤维长度6mm，直径15μm）放入带搅拌器的分散桶中，加水和聚氧化乙烯（PEO）分散剂，使浆浓为0.70%，水相粘度为65秒，充分搅拌、疏解至碳纤维完全分散为单根纤维。

将35份聚丙烯腈纤维（纤维长度3mm，直径10μm）放入带搅拌器的分散桶中，加水和聚氧化乙烯（PEO）分散剂，其中聚丙烯腈纤维浓度为2.5%，水相粘度65秒，充分搅拌至聚丙烯腈纤维均匀分散于水中。

将20份聚丙烯腈浆粕（纤维长度6.5mm）放入已贮有适量水的打浆机内，纤维在水中的浓度为2.5%，先疏解20min，再下轻刀打浆60min，待纤维完全分散，无小浆点，测试浆料打浆度达45⁰SR，起刀后浆料放入配浆池，同时将已分散的碳纤维和聚丙烯腈纤维也放入配浆池，补加水和聚氧化乙烯（PEO）分散剂，配成浆浓为1.4%，粘度为58S的混合浆料。

用斜网造纸机抄造成单位面积重量为100g/m²的基纸，裁成一定尺寸后放入平板硫化机中热压，热压温度为250℃，时间为50秒。随后置于高温炭化炉中，通入N₂，以15℃/分速率升温，至1800℃后保温3.0小时，冷却后制得抗张强度3.7kN/m，厚度0.20mm，透气度318L/m².S，电阻率0.019Ω.cm的燃料电池电极扩散层用碳纸。

Claims

1.一种燃料电池电极扩散层用碳纸的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种燃料电池电极扩散层用碳纸的制备方法，其特征在于：步骤1）、2）和4）中所加分散剂为阴离子聚丙烯酰胺或聚氧化乙烯；步骤1）和2）中分散剂加入量以控制浆料水相粘度为58秒~70秒为准。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池电极扩散层用碳纸的制备方法，其特征在于：所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维之一或其组合，其纤维长度为4mm~6mm，纤维直径为7μm~15μm；所述的聚丙烯腈纤维长度为3mm~5mm，纤维直径为10μm~18μm；所述聚丙烯腈浆粕纤维为具有表面微纤状疏松羽毛形树状结构特征的原纤化纤维，纤维长度2mm~6.5mm。