CN106654120A - 一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：（1）制备分散液；（2）静电纺丝；（3）预氧化；（4）炭化处理。本发明碳纤维用于直接甲醇燃料电池，所述碳纤维设置在直接甲醇燃料电池阳极侧阳极集电板和膜电极中间的镂空部，有效阻止直接甲醇燃料电池在运行尤其是高浓度溶液运行的情况下带来的甲醇穿透，从而提高电池性能。本发明制备方法简单、绿色环保、对人体无害、无污染。

Description

一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及直接甲醇燃料电池技术领域，尤其涉及一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维及其制备方法。
背景技术
燃料电池与传统意义上的普通电池有着本质上的差别。燃料电池只要源源不断地提供氧化剂和燃料，就可以实现持续的发电。相反，普通电池由于不可以长时间持续的供给化学原料，因此无法实现无限供电。
被动式直接甲醇燃料电池系统使用甲醇溶液作为燃料，通常利用毛细原理以及重力来运作，它具有很多的优点，能量密度高、燃料资源丰富、价格便宜、系统方便、体积细小、运行简单、噪声小以及无污染等优点，被认为是未来最有希望应用于便携式设备和交通工具的化学电源。
然而在直接甲醇燃料电池中，甲醇溶液往往穿过集电板开孔区域，直接与膜电极接触，在运行尤其是高浓度溶液运行的情况下容易引起甲醇穿透现象，造成膜电极催化剂“中毒”等问题，对电池性能的消极影响不容忽视，限制了直接甲醇燃料电池实现商业化。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维及其制备方法。
本发明通过静电纺丝技术以及热处理工艺制得碳纤维，用于直接甲醇燃料电池阳极侧阳极集电板和膜电极中间的镂空部，有效阻止直接甲醇燃料电池在运行尤其是高浓度溶液运行所带来的甲醇穿透，从而提高电池性能。
本发明目的通过如下技术方案实现。
一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备分散液：将聚丙烯腈粉末添加到二甲基甲酰胺中，磁力搅拌分散，得到聚丙烯腈分散液；
（2）静电纺丝：将得到的聚丙烯腈分散液置于静电纺丝注射喷头中，静电纺丝，收集得到聚丙烯腈纤维；
（3）预氧化：将收集的聚丙烯腈纤维置于马弗炉中，升温预氧化，停止加热，冷却至室温；
（4）炭化处理：将预氧化后冷至室温的聚丙烯腈纤维置于管式炉中，氮气氛围下，升温炭化处理，停止加热，冷却至室温，得到所述用于直接甲醇燃料电池的碳纤维。
进一步地，步骤（1）中，所述聚丙烯腈与二甲基甲酰胺的料液比为1:10~1.8:10g/mL。
进一步地，步骤（1）中，所述磁力搅拌的转速为1000~3000r/min，搅拌的时间为2~4h。
进一步地，步骤（2）中，所述静电纺丝的参数为：电压为10~20kV，接收距离为10~20cm，喷头注射速度为0.4~0.6mL/h，纺丝时间为1-10h。
进一步地，步骤（3）中，所述升温的速率为10~60℃/min；所述升温是升温至250-280℃。
进一步地，步骤（3）中，所述预氧化的时间为1~3h。
进一步地，步骤（4）中，所述炭化处理的温度为900~1300℃。
进一步地，步骤（4）中，所述炭化处理的时间为20~40min。
进一步地，步骤（4）中，所述升温的程序为：以升温速率3~10℃/min缓慢升温到600~700℃，保温30~40min；随后以升温速率3~10℃/min缓慢升温到900~1300℃。
由上述任一项所述制备方法制得的一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维。
制得的碳纤维具有致密的纳米网状结构，用于直接甲醇燃料电池阳极侧阳极集电板和膜电极中间的镂空部，能够有效地增大甲醇分子到达膜电极表面的阻力，减缓了甲醇直接穿透到电池阴极，并产生混合电势，对电池性能造成的消极过程；从而实现了稳定电池性能，提高能量输出的目的。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明制备的用于直接甲醇燃料电池中，有效阻止高浓度溶液操作下带来的甲醇穿透，能使直接甲醇燃料电池的性能提升高达24.6%；
（2）本发明制备方法简单，绿色环保，对人体无害，无污染。
附图说明
图1为实施例1制备的用于直接甲醇燃料电池的碳纤维的表面扫描电子显微镜图；
图2为实施例1制备的碳纤维用于直接甲醇燃料电池的装配示意图；
图3为实施例1在甲醇溶液浓度为4mol/L条件下不加碳纤维与加入碳纤维的直接甲醇燃料电池性能对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1
（1）将0.548g聚丙烯腈粉末添加到5ml二甲基甲酰胺中，置于转速为3000r/min磁力搅拌器中，搅拌2h，制备得到聚丙烯腈分散液；用1ml规格的注射器将抽取1ml聚丙烯腈分散液，置于静电纺丝注射喷头中，在gauge7针头，纺丝电压为15kV，接收距离为14cm的条件下注射纺丝，控制注射速度为0.4mL/h，每2.5h补充一次聚丙烯腈分散液，纺丝时间为5h，收集聚丙烯腈纤维；
（2）将制备所得的聚丙烯腈纤维置于马弗炉中，按照30℃/min的升温速率从室温升温到270℃，对其预氧化2h，待预氧化完成后，停止加热，随炉空冷至室温；
（3）将预氧化完成的聚丙烯腈纤维置于管式炉，对管式炉中通入流量为50ml/min的氮气，排净空气后，在氮气气氛下，按照5℃/min缓慢升温到600℃，保温30min，随后按照5℃/min缓慢升温到1250℃，使其炭化处理40min，待炭化完成后，停止加热，随炉空冷至室温，即可制备得到用于直接甲醇燃料电池的碳纤维。
制得的用于直接甲醇燃料电池的碳纤维的SEM图如图1所示，由图1可知，制得的碳纤维具有致密的纳米网状结构；
将制得的碳纤维用于直接甲醇燃料电池，装配示意图如图2所示，包括阳极燃料腔1、硅胶垫片2、阳极集电板3、聚四氟乙烯垫片4、碳纤维5、-膜电极6、阴极集电板7和阴极端盖8；在甲醇溶液浓度为4mol/L条件下，运行电池，与不加碳纤维的直接甲醇燃料电池的性能对比图如图3所示；由图3可知，在4mol/L的甲醇浓度下，不加入碳纤维的最大功率密度为23.6mW/cm2，加入碳纤维后的最大功率密度为29.4 mW/cm2，电池性能提升高达24.6%。
实施例2
（1）将0.700g聚丙烯腈粉末添加到5ml二甲基甲酰胺中，置于转速为1000r/min磁力搅拌器中，搅拌2h，制备得到聚丙烯腈分散液；用1ml规格的注射器将抽取1ml聚丙烯腈分散液，置于静电纺丝注射喷头中，在gauge9针头，纺丝电压为10kV，接收距离为10cm的条件下注射纺丝，控制注射速度为0.5mL/h，每1h补充一次聚丙烯腈分散液，纺丝时间为1h，收集聚丙烯腈纤维；
（2）将制备所得的聚丙烯腈纤维置于马弗炉中，按照10℃/min的升温速率从室温升温到250℃，对其预氧化1h，待预氧化完成后，停止加热，随炉空冷至室温；
（3）将预氧化完成的聚丙烯腈纤维置于管式炉，对管式炉中通入流量为60ml/min的氮气，排净空气后，在氮气气氛下，按照3℃/min缓慢升温到650℃，保温30min，随后按照8℃/min缓慢升温到900℃，使其炭化处理30min，待炭化完成后，停止加热，随炉空冷至室温，即可制备得到用于直接甲醇燃料电池的碳纤维。
制备的碳纤维的SEM图参见图1，具有致密的纳米网状结构；将制得的碳纤维用于直接甲醇燃料电池，在4 mol/L的甲醇浓度下，电池性能提升高达11.3%。
实施例3
（1）将0.822g聚丙烯腈粉末添加到5ml二甲基甲酰胺中，置于转速为3000r/min磁力搅拌器中，搅拌4h，制备得到聚丙烯腈分散液；用1ml规格的注射器将抽取1ml聚丙烯腈分散液，置于静电纺丝注射喷头中，在gauge8针头，纺丝电压为20kV，接收距离为20cm的条件下注射纺丝，控制注射速度为0.6mL/h，每2h补充一次聚丙烯腈分散液，纺丝时间为10h，收集聚丙烯腈纤维；
（2）将制备所得的聚丙烯腈纤维置于马弗炉中，按照60℃/min的升温速率从室温升温到280℃，对其预氧化3h，待预氧化完成后，停止加热，随炉空冷至室温；
（3）将预氧化完成的聚丙烯腈纤维置于管式炉，对管式炉中通入流量为100ml/min的氮气，排净空气后，在氮气气氛下，按照10℃/min缓慢升温到700℃，保温40min，随后按照10℃/min缓慢升温到1100℃，使其炭化处理40min，待炭化完成后，停止加热，随炉空冷至室温，即可制备得到用于直接甲醇燃料电池的碳纤维。
制备的碳纤维的SEM图参见图1，具有致密的纳米网状结构；将制得的碳纤维用于直接甲醇燃料电池，在4 mol/L的甲醇浓度下，电池性能提升高达18.4%。
如上所述便可较好地实现本发明。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将聚丙烯腈粉末添加到二甲基甲酰胺中，磁力搅拌分散，得到聚丙烯腈分散液；
（2）将得到的聚丙烯腈分散液置于静电纺丝注射喷头中，静电纺丝，收集得到聚丙烯腈纤维；
（3）将收集的聚丙烯腈纤维置于马弗炉中，升温预氧化，停止加热，冷却至室温；
（4）将预氧化后冷至室温的聚丙烯腈纤维置于管式炉中，氮气氛围下，升温炭化处理，停止加热，冷却至室温，得到所述用于直接甲醇燃料电池的碳纤维。
2.根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述聚丙烯腈与二甲基甲酰胺的料液比为1:10~1.8:10g/mL。
3.根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述磁力搅拌的转速为1000~3000r/min，搅拌的时间为2~4h。
4.根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述静电纺丝的参数为：电压为10~20kV，接收距离为10~20cm，喷头注射速度为0.4~0.6mL/h，纺丝时间为1-10h。
5.根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述升温的速率为10~60℃/min；所述升温是升温至250-280℃；所述预氧化的时间为1~3h。
6.根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述炭化处理的温度为900~1300℃；所述炭化处理的时间为20~40min。
7.根据权利要求1所述的一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述升温的程序为：以升温速率3~10℃/min缓慢升温到600~700℃，保温30~40min；随后以升温速率3~10℃/min缓慢升温到900~1300℃。
8.由权利要求1~7任一项所述制备方法制得的一种用于直接甲醇燃料电池的碳纤维。
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