CN110485191A - 湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸及其制备方法。制备方法主要有制浆、合浆、顺流式上网和喷浆式上网复合抄造、干燥、热压等步骤构成,通过添加粘接纤维提高所制得碳纤维纸的机械性能,合浆时通过添加碳纳米管、石墨烯、活性炭。制备的碳纤维纸包括顺流式上网抄造的基纸底层及喷浆式上网抄造的基纸表层,基纸表层内含有石墨烯、碳纳米管、活性炭。本发明制得的碳纤维纸具备多孔结构、优异的造气性、低电阻和高电导,可为电极反应提供气体、电子、排水通道;具有一定的机械强度、化学稳定性、热稳定性、导热性、气体分散、匀质特性;具有大比表面积,可吸附有害气体,缓冲体系反应,避免高温处理后的不稳定。

Description

湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸及其制备方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜用多孔介质扩散层,具体涉及一种湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸方法。
背景技术
燃料电池是一种非燃烧过程的电化学能转换装置,一般是将氢气甲醇等燃料和氧气等氧化剂通过氧化还原反应,将化学能连续不断地转换为电能,是一种不需要经过卡诺循环的电化学发电装置。因此燃料电池的效率可以达到90%以上,远远超过普通内燃机。
燃料电池使用的燃料不是化石燃料等不可再生资源,而是氢气、甲醇等的可再生能源。使得人类的能源获取不在受制于地质条件。当燃料电池以纯氢气为燃料时,其化学反应产物仅为水,从根本上消除了CO、NOx、SOx以及粉尘等大气污染物的排放。
燃料电池兼具电池和热机的特点,具有能量转化效率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振动和噪声等级低等特点。在能量转换过程中,几乎不产生污染环境的含氮和硫氧化物,燃料电池还被认为是一种环境友好的能量转换装置。由于具有这些优异性,燃料电池技术被认为是21世纪新型环保高效的发电技术之一。
质子交换膜燃料电池电极由多孔的扩散层、催化剂层和质子交换膜组成。燃料气体经过阳极扩散层分布、润湿后到达催化剂层,在催化剂的作用下发生电极反应。气体扩散层在燃料电池中不仅起到支撑催化剂层、收集电流、稳定电极结构的作用,还有传导、分布气体和排出反应产物水的重要作用。
碳纤维纸是一种广泛应用于质子交换膜燃料电池电极中的气体扩散层材料,它不仅具有均匀的多孔质薄层结构,而且由于主要原料使用石墨化碳纤维,使得它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。高性能的气体扩散层材料有利于改善电极的综合性能,燃料电池使用的碳纤维纸必须满足以下要求:
(1)均匀的多孔质结构,透气性能好;
(2)电阻率低,电子传导能力强;
(3)结构紧密且表面平整,以减小接触电阻,提高导电性能;
(4)具有一定的机械强度,适当的刚性与柔性,利于电极的制作;
(5)适当的亲水/憎水平衡,防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降;
(6)具有化学稳定性和热稳定性。
当前的燃料电池气体扩散层一般采用碳纤维纸、纺织纤维然后碳化、石墨化的方法,难以低成本、大规模、高稳定的生产。目前,应用广泛的碳纤维纸不能够很好的兼顾碳纤维纸的透气率和力学强度,脆性大、缺乏柔性,在膜电极制备及燃料电池装配过程中容易发生破坏,表面光洁度低,短切碳纤维容易剥离以及生产成本高等缺点。此外,当前的制备工艺难以与诸如碳纳米管、石墨烯、活性炭等高性能材料复合,从而不利于优化燃料电池的结构和提高燃料电池的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:现有碳纤维纸不能够很好的兼顾碳纤维纸的透气率和力学强度,脆性大、缺乏柔性,在膜电极制备及燃料电池装配过程中容易发生破坏,表面光洁度低,短切碳纤维容易剥离以及生产成本高等问题。
为了解决上述问题,本发明提供了一种湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法,其特征在于,依次包括以下步骤:
步骤1):制浆A:将碳纤维和粘接纤维机械混合后加水搅拌,添加分散剂后泵入疏解机进行疏解,疏解后根据需要调制成A浆料;
步骤2):制浆B:将不同旦数和长度的碳纤维、粘接纤维机械混合后加水搅拌,添加分散剂后泵入疏解机进行疏解,疏解后根据需要调制成B浆料;
步骤3):合浆:在B浆料中根据需要添加剂,然后加水调制成浆料,并对该浆料进行搅拌使得各组分分散均匀后得到C浆料;
步骤4):抄造:采用顺流式和喷浆式上网的方式湿法抄造,其中,顺流式上网采用A浆料,喷浆式上网采用C浆料,A浆料和C浆料比例可调整,制得碳纤维湿纸;
步骤5):干燥:将碳纤维湿纸进行干燥,得到碳纤维干纸;
步骤6):热压:将碳纤维干纸进行热压,得到湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸。
优选地,所述步骤1)中碳纤维长度为0.5~5mm,平均长度为1~3mm;粘接纤维长度为0.5~5mm,平均长度为1~3mm;粘接纤维长度在A浆料中的质量含量为10%~30%;
更优选地,所述碳纤维的平均长度为2mm;粘接纤维的平均长度为2mm;粘接纤维长度在A浆料中的重量百分比为15%~20%。
优选地,所述步骤1)中的分散剂采用PAM,分散剂在A浆料中的质量含量为0.1%~3%;疏解时间为15~45分钟。
更优选地,所述分散剂在A浆料中的质量含量为1%;疏解时间为30分钟。
优选地,所述步骤1)中的浆料A、步骤3)中的浆料C的固含量均为0.5%~3%。
更优选地,所述浆料A、浆料C的固含量均为0.75%~1%。
优选地,所述步骤3)中的添加剂为碳纳米管、石墨烯和活性炭中的至少一种。
更优选地,所述碳纳米管采用单壁或多壁碳纳米管,其长度≥0.5μm,直径为1~100nm;碳纳米管在C浆料中的质量含量为0.01%~5%;所述石墨烯采用单层、双层、寡层或多层石墨烯,石墨烯在C浆料中的质量含量为0.01%~5%;所述活性炭采用生物质、煤质或石油焦质活性炭,其粒径为5~25μm,比表面积为500~2500m2/g,其杂质的质量含量不高于1%。
进一步地,所述碳纳米管采用单壁纳米管,其长度≥50μm,直径为1~3nm;碳纳米管在C浆料中的质量含量为0.02%~0.06%;所述石墨烯采用单层、双层或寡层石墨烯;石墨烯在C浆料中的质量含量为0.05%~2%;所述活性炭采用超级电容器用活性炭,其粒径为8~15μm,比表面积为1800~2500m2/g,其杂质的质量含量不高于0.1%。
优选地,所述步骤4)中的抄造采用工业抄纸机,A浆料与C浆料的固含量之比为10:1~1:10。
更优选地,所述A浆料与C浆料的固含量之比为1:3~1:8。
优选地,所述步骤6)中热压的温度为150~300℃。
更优选地,所述热压的温度为180~250℃。
本发明还提供了一种上述湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法制备的碳纤维纸,其特征在于,包括顺流式上网抄造的基纸底层及喷浆式上网抄造的基纸表层,基纸表层内含有石墨烯、碳纳米管和活性炭中的至少一种。
本发明制得的燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸具有一定的机械强度、化学稳定性及热稳定性,具备多孔结构、优异的造气性、低电阻以及高电导等性能,可为电极反应提供气体通道、电子通道以及排水通道。此外,本发明提供的制备具有成本低等优势。
本发明公布的工艺方法能够结合最前沿的碳材料科技,制备多元的碳-碳复合材料,此外还可以将催化剂负载在活性炭中从而取消催化剂层,提高催化剂的有效面积从而提高燃料电池的性能。
本发明采用双层上网方式,加入石墨烯、碳纳米管、活性炭,有效克服了现有技术的缺点,解决了碳纤维纸质地脆,柔性大等问题,兼具机械强度大、气体分散性优异、比表面积大以及良好的导热性等特性。所公开的工艺方法能够结合最前沿的碳材料科技,制备多元的碳-碳复合材料,此外还可以将催化剂负载在活性炭中从而取消催化剂层,提高催化剂的有效面积从而提高燃料电池的性能。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
附图说明
图1为本发明提供的湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂,兹以优选实施例,并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸方法,包括以下步骤:
1.制浆A:将长度为1~4mm,平均长度为2mm的碳纤维和平均长度为2mm的粘接纤维按照88:12混配后加50倍的水搅拌30分钟,添加1%的PAM然后泵送入疏解机中疏解30分钟,加水配制为固含量1%的浆料,持续搅拌2小时以上得到浆料A备用。
2.制浆B:将长度为1~4mm,平均长度为2mm的碳纤维和平均长度为2mm的粘接纤维按照82:18混配后加50倍的水搅拌30分钟,添加1%的PAM然后泵送入疏解机中疏解30分钟,加水配制为固含量1%的浆料,得到浆料B。
3.合浆C:在浆料B中按照纤维干物质含量的0.2%添加碳纳米管,按照纤维干物质含量的1.5%添加石墨烯,按照纤维干物质含量的3%添加活性炭,然后加水配制成固含量1%的浆料,持续搅拌2小时以上得到浆料C备用。
4.抄造:采用工业圆网抄纸机,定量设定60g/m2,顺流式+喷浆式上网的方式,顺流式上网使用浆料A,喷浆式上网使用浆料B,顺流式上网:喷浆式上网流量比为1:2,抄造中浆料持续搅拌。其他按照抄纸机说明操作,抄纸过程中实时监测,遇到问题及时解决。
5.干燥:干燥采用抄纸机自带的烘缸干燥器干燥,设定温度80℃
6.热压:热压采用胶辊压光机作业,一压采用上辊180℃,下辊200℃,压力150N/mm,二压采用上辊210℃,下辊190℃,压力180N/mm。
7.步骤1~6制得的湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸如图1所示,其包括顺流式上网抄造的基纸底层1及喷浆式上网抄造的基纸表层2,基纸表层2内含有石墨烯3、碳纳米管4及活性炭5,将其按照国家标准进行检测。
实施例2
一种湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸方法,包括以下步骤:
除实施例1中步骤4的顺流式上网:喷浆式上网流量比为1:5外,其它完全与实施例1相同。
对比例1
一种湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸方法,包括以下步骤:
除实施例1中步骤4的顺流式上网、喷浆式上网均使用浆料A外,其它完全与实施例1相同。
经测试,各实施例和对比例所制得的湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的检测结果见下表1。
表1
由表1可知,实施例1~2制得燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸具有高的孔隙率的同时还具有高的电导率。虽然对比例1中碳纤维纸的强度较大,但是其过高的电阻和过低的透气率严重限制其在燃料电池领域的应用。

Claims (9)

1.一种湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法,其特征在于,依次包括以下步骤:
步骤1):制浆A:将碳纤维和粘接纤维机械混合后加水搅拌,添加分散剂后泵入疏解机进行疏解,疏解后根据需要调制成A浆料;
步骤2):制浆B:将不同旦数和长度的碳纤维、粘接纤维机械混合后加水搅拌,添加分散剂后泵入疏解机进行疏解,疏解后根据需要调制成B浆料;
步骤3):合浆:在B浆料中根据需要添加剂,然后加水调制成浆料,并对该浆料进行搅拌使得各组分分散均匀后得到C浆料;
步骤4):抄造:采用顺流式和喷浆式上网的方式湿法抄造,其中,顺流式上网采用A浆料,喷浆式上网采用C浆料,A浆料和C浆料比例可调整,制得碳纤维湿纸;
步骤5):干燥:将碳纤维湿纸进行干燥,得到碳纤维干纸;
步骤6):热压:将碳纤维干纸进行热压,得到湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸。
2.如权利要求1所述的湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中碳纤维长度为0.5~5mm,平均长度为1~3mm;粘接纤维长度为0.5~5mm,平均长度为1~3mm;粘接纤维长度在A浆料中的质量含量为10%~30%;
3.如权利要求1所述的湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中的分散剂采用PAM,分散剂在A浆料中的质量含量为0.1%~3%;疏解时间为15~45分钟。
4.如权利要求1所述的湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中的浆料A、步骤3)中的浆料C的固含量均为0.5%~3%。
5.如权利要求1所述的湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法,其特征在于,所述步骤3)中的添加剂为碳纳米管、石墨烯和活性炭中的至少一种。
6.如权利要求5所述的湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法,其特征在于,所述碳纳米管采用单壁或多壁碳纳米管,其长度≥0.5μm,直径为1~100nm;碳纳米管在C浆料中的质量含量为0.01%~5%;所述石墨烯采用单层、双层、寡层或多层石墨烯,石墨烯在C浆料中的质量含量为0.01%~5%;所述活性炭采用生物质、煤质或石油焦质活性炭,其粒径为5~25μm,比表面积为500~2500m2/g,其杂质的质量含量不高于1%。
7.如权利要求1所述的湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法,其特征在于,所述步骤4)中的抄造采用工业抄纸机,A浆料与C浆料的固含量之比为10:1~1:10。
8.如权利要求1所述的湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法,其特征在于,所述步骤6)中热压的温度为150~300℃。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法制备的碳纤维纸,其特征在于,包括顺流式上网抄造的基纸底层(1)及喷浆式上网抄造的基纸表层(2),基纸表层(2)内含有石墨烯(3)、碳纳米管(4)和活性炭(5)中的至少一种。
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