CN110512459A - 一种用于燃料电池的高性能碳纸及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池的高性能碳纸及其制备方法与应用。该方法包括如下步骤：(1)将纤维原料加入到水中搅拌混合均匀，得到混合浆料I；然后依次将表面活性剂、聚氧化乙烯和聚乙烯醇溶液加入到混合浆料I中，搅拌均匀，得到混合浆料II；再将混合浆料II抄造成湿纸幅，干燥，得到碳纸前驱体；其中，纤维原料包括粘胶纤维、纤维素纳米纤丝和碳纤维；(2)将碳纸前驱体浸渍于改性酚醛树脂的乙醇溶液中，烘干，并在其表面涂布疏水涂料，再进行热压和热处理，得到用于燃料电池的高性能碳纸。本发明获得的碳纸具有较好的导电性和物理性能，可将其应用于燃料电池领域中。

Description

一种用于燃料电池的高性能碳纸及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，特别涉及一种用于燃料电池的高性能碳纸及其制备方法与应用。
背景技术
燃料电池是将燃料中的化学能经过电化学反应直接转化为电能的发电装置，此过程不受卡诺循环限制，具有能量转化效率高，环境友好，较传统发电方式CO2的排放量少的优点。正是由于这些突出的优点，燃料电池技术被认为是21世纪首选的清洁、高效的发电技术。
质子交换膜燃料电池作为燃料电池研究中的重点和热点，因其质子交换膜的成本高、寿命短而严重限制了燃料电池的实际应用。质子交换膜燃料电池的核心组件分别是：双极板、流道、气体扩散层、催化层、质子交换膜。其中气体扩散层是质子交换膜燃料电池膜组件的重要组成部分之一，主要作用有3个，一是作为燃料气体进入催化层之前的缓冲和扩散层，二是为电子和反应生成的水提供传输通道，三是作为膜电极的支撑骨架为质子交换膜和催化剂提供物理活性位点。其性能特点如下：(1)较高的孔隙率；(2)优异的导电性；(3)良好的疏水性能；(4)一定的机械强度和柔韧性；(5)优异的电化学稳定性；(6)良好的热传导能力。碳纤维具备较高的导电性、高模量、高强度、耐腐蚀等优点，使用碳纤维制备的碳纸是制备燃料电池用气体扩散层的重要基底材料。
授权公告号CN100336972C的专利描述了采用碳纤维和聚乙烯醇粘结剂抄造原纸，经浸渍热固性树脂、热压、炭化、石墨化等后处理制成碳纸的方法；裴浩的硕士论文“燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的研制”中提到了一种预处理后浸渍树脂碳化工艺，使用了浸渍树脂预固化再浸渍一次树脂的方法，后经热压、碳化、石墨化等处理制成了碳纸。以上两种方法均需用到了近2400℃的温度以使碳纸获得更高的石墨化程度。专利申请号CN103556543A中提到了一种用湿法成型、干燥、涂布加工的方法制成燃料电池用的碳纸，此种方法完全省去了对碳纸的热处理较为节能但所制得的碳纸的电阻率较高(电阻率为0.020～0.050Ω·cm)。因此，发明、提供一种生产工艺简单、能耗小，性能优良的碳纸材料对燃料电池行业的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法。
本发明的另一目的在于提供所述方法制备得到的用于燃料电池的高性能碳纸。
本发明的再一目的在于提供所述用于燃料电池的高性能碳纸的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，包括如下步骤：
(1)将纤维原料加入到水中搅拌混合均匀，得到混合浆料I；然后依次将表面活性剂、聚氧化乙烯(PEO)和聚乙烯醇(PVA)溶液加入到混合浆料I中，搅拌均匀，得到混合浆料II；再将混合浆料II抄造成湿纸幅，干燥，得到碳纸前驱体；其中，纤维原料包括粘胶纤维、纤维素纳米纤丝(NFC)和碳纤维；
(2)将步骤(1)中得到的碳纸前驱体浸渍于改性酚醛树脂的乙醇溶液中，烘干，并在其表面涂布疏水涂料，再进行热压和热处理，得到用于燃料电池的高性能碳纸；其中，所述的改性酚醛树脂为碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂；所述的热处理的条件为：1400～1600℃热处理6～8h。
步骤(1)中所述的纤维原料占混合浆料I质量的0.1％～0.15％；优选为占混合浆料I质量的0.15％。
步骤(1)中所述的纤维原料优选为包括如下按质量分数计的组分：粘胶纤维10～15份，碳纤维83～88份，纤维素纳米纤丝1～2份。
步骤(1)中所述的碳纤维优选为聚丙烯腈基碳纤维和/或沥青基碳纤维，长度为5～6mm、电阻率为0.001～0.01Ω·cm。
步骤(1)中所述的粘胶纤维的长度为3～5mm；优选为3～4mm；更优选为3mm。
步骤(1)中所述的搅拌的速度均为500～1000rpm；优选为700～900rpm。
步骤(1)中所述的搅拌的时间为10min以上。
步骤(1)中所述的表面活性剂为吐温-80、土耳其红油和油酸甘油酯中的一种或其组合；优选为吐温-80。
步骤(1)中所述的表面活性剂的添加量为占混合浆料II质量的0.02～0.05％；优选为占混合浆料II质量的0.03～0.04％。
步骤(1)中所述的聚氧化乙烯的添加量为占混合浆料II质量的0.1～0.2％；优选为占混合浆料II质量的0.12～0.14％；更优选为占混合浆料II质量的0.12～0.13％。
步骤(1)中所述的聚氧化乙烯的分子量为600万～800万；优选为600万。
步骤(1)中所述的聚乙烯醇溶液的添加量为占混合浆料II质量的0.1～0.15％；优选为占混合浆料II质量的0.12～0.15％；更优选为占混合浆料II质量的0.13～0.15％。
步骤(1)中所述的聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比10％。
步骤(1)中所述的聚乙烯醇的分子量优选为17～22万。
步骤(1)中所述的湿纸幅为经湿法成型设备制成。
步骤(1)中所述的干燥的条件为：90～110℃干燥30～40min。
步骤(1)中所述的碳纸前驱体的定量为80～90g/m2；优选为90g/m2。
步骤(2)中所述的碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂通过如下方法制备得到：
(a)将苯酚、硼酸和醋酸混合后在100～120℃的条件下反应5～6h，然后升温至140～150℃保温30min～40min，再降温至65℃以下、加入腰果酚与多聚甲醛，升温至100～110℃反应30～45min，得到硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂；
(b)将酸化碳纳米管加入到硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂中，超声分散均匀，得到碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂。
步骤(a)中所述的苯酚、硼酸、醋酸、腰果酚和多聚甲醛的质量比为40～60：10～25：1～5：10～30：20～60；优选为40：18：5：20：54。
步骤(a)中所述的反应为搅拌反应，其转速为200～400rpm。
步骤(b)中所述的酸化碳纳米管的用量占硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂的质量的0.5％～1％。
步骤(b)中所述的超声的条件为：40KHZ超声20～30min；优选为40KHZ超声20～25min；更优选为：40KHZ超声20min。
步骤(b)中所述的酸化碳纳米管优选为通过如下方法制备得到：将碳纳米管加入到混酸溶液中，加热至110～120℃保温5～6h，再用水清洗干净，得到酸化碳纳米管；其中混酸溶液为浓硫酸与浓硝酸按质量比3:1混合得到的溶液。
所述的碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为10～20nm，长度为10～30μm。
所述的浓硫酸为质量分数98％的浓硫酸。
所述的浓硝酸为质量分数68％的浓硝酸。
所述的碳纳米管的用量为占混酸溶液质量的2～2.5％；优选为2.5％。
所述的水优选为去离子。
步骤(2)中所述的改性酚醛树脂的乙醇溶液的浓度为质量百分比8％～15％；优选为10％～12％；更优选为10％。
步骤(2)中所述的浸渍的时间为1～3min；优选为1～2min。
步骤(2)中所述的热压的条件为：温度140～160℃，压强10～15MPa，热压时间45～60min；优选为：温度140℃，压强10MPa，热压时间45min。
步骤(2)中所述的热处理的条件优选为：在氮气保护下，1400～1600℃热处理6～8h；更优选为：在氮气保护下，以30℃/min的升温速率升温至1400～1600℃热处理6～8h；最优选为：在氮气保护下，以30℃/min的升温速率升温至1400～1500℃热处理8h。
步骤(2)中所述的疏水涂料为聚四氟乙烯和环氧树脂中的一种或两种；优选为聚四氟乙烯；更优选为分子量1～3万的聚四氟乙烯。
步骤(2)中所述的疏水涂料的涂布量为1～2g/m2。
一种用于燃料电池的高性能碳纸，通过上述任一项所述的方法制备得到。
所述的一种用于燃料电池的高性能碳纸在燃料电池领域中的应用。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明克服现有碳纸生产过程中成本高、工艺复杂、产品性能较差的缺点和不足，使用了多种原料复配得到了比单一原料更好的效果：粘胶纤维，纤维素纳米纤丝及聚乙烯醇之间可形成氢键的协同作用，提高了碳纸前驱体的强度；同时三种原料氢键或氢键水桥可提高聚乙烯醇的留着率，进而降低了聚乙烯醇的用量。
(2)对传统浸渍使用的酚醛树脂改性处理，使成品碳纸的导电率，物理性能得到了提高，并有效地降低了热处理温度，降低了生产能耗。
(3)本发明制得的燃料电池用碳纸具有较好的导电性，电阻率最低为7.1mΩ·cm；且具有良好的物理性能，其拉伸强度最高为72MPa。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，本发明所用试剂和原材料均可通过市售获得。
本发明中涉及的酸改性的碳纳米管的制备方法如下：将碳纳米管(南京先丰纳米材料科技有限公司，多壁碳纳米管直径10～20nm，长度10～30μm)与混酸(质量分数98％浓硫酸与质量分数68％浓硝酸的质量比3:1)溶液加入带冷凝回流装置的单口圆底烧瓶中，其中，碳纳米管占混酸溶液质量分数的2.5％，加热至120℃，保温5h，之后将碳纳米管用去离子水洗净，得到酸化后的多壁碳纳米管。
本发明中涉及的碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂的制备方法如下：
①将苯酚、硼酸和醋酸按一定比例加入到带温度计，搅拌器和冷凝回流管的三口烧瓶中，转速200～400rpm，温度100～120℃，反应5～6h后升温至145℃保温30min后降温至65℃，加入腰果酚与多聚甲醛于110℃下反应45min得到硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂；其中，原料配比按质量份计如下：腰果酚20份，苯酚40份，硼酸18份，多聚甲醛54份，醋酸5份；
②将酸化碳纳米管加入到硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂中，超声分散20min(超声频率40KHZ)，制得碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂；其中，酸化碳纳米管的用量占硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂的质量的0.5％～1％。
本发明中涉及的碳纤维可以为市售碳纤维，如聚丙烯腈基碳纤维和/或沥青基碳纤维，其长度分布为5～6mm，电阻率为0.001～0.01Ω·cm；粘胶纤维为普通粘胶纤维，长度为3～5mm(优选为3～4mm)。
实施例1
(1)取10质量份粘胶纤维(湖北化纤厂，长度3mm)，2质量份纤维素纳米纤丝(NFC，购于KEXLAN)，88质量份碳纤维(日本帝人公司，聚丙烯腈基碳纤维，长度6mm，电阻率1～10mΩ/cm)加入到带搅拌器的分散桶中，加入适量的水使得粘胶纤维、纤维素纳米纤丝与碳纤维的总质量分数为0.15％，开动搅拌，转速700rpm，先加入0.04wt％的吐温-80，后加入0.12wt％的聚氧化乙烯(PEO，分子量600万)，待碳纤维完全分散为单根纤维后加入0.13wt％聚乙烯醇溶液(PVA，分子量17～22万)(聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比10％)，机械搅拌10min后，经湿法成型设备制成湿纸幅，烘箱干燥(温度90～110℃，时间30～40min)，制成定量为90g/m2的碳纸前驱体。
(2)将碳纸前驱体浸渍于质量分数10％的碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂(酸化碳纳米管的用量占硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂的质量的1％)的乙醇溶液中，并利用超声设备辅以超声，浸渍1min，取出烘干，并在其表面涂布具有疏水作用的聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯的分子量1～3万，聚四氟乙烯乳液的固含量为60％，其涂布量2g/m2)，干燥后，置于平板硫化机(温度140℃，压强10MPa、)热压45min后、使用真空管式炉在通氮气保护下对碳纸进行热处理(温度1500℃，升温速率30℃/min，热处理时间8h)热处理后得到燃料电池用高性能碳纸。
实施例2
(1)取15质量份粘胶纤维(湖北化纤厂，长度3mm)，1质量份纤维素纳米纤丝(NFC，购于KEXLAN)，84质量份碳纤维(日本帝人公司，聚丙烯腈基碳纤维，长度6mm，电阻率1～10mΩ/cm)加入到带搅拌器的分散桶中，加入适量的水使得粘胶纤维、纤维素纳米纤丝与碳纤维的总质量分数为0.15％，开动搅拌，转速700rpm，先加入0.04wt％的吐温-80，后加入0.12wt％的聚氧化乙烯(PEO，分子量600万)，待碳纤维完全分散为单根纤维后加入0.13wt％聚乙烯醇溶液(PVA，分子量17～22万)(聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比10％)，机械搅拌10min后，经湿法成型设备制成湿纸幅，烘箱干燥(温度90～110℃，时间30～40min)，制成定量为90g/m2的碳纸前驱体。
(2)将碳纸前驱体浸渍于质量分数10％的碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂(酸化碳纳米管的用量占硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂的质量的0.5％)的乙醇溶液中，并利用超声设备辅以超声，浸渍1min，取出烘干，并在其表面涂布具有疏水作用的聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯乳液的固含量为固含量60％，其涂布量2g/m2)，干燥后，置于平板硫化机(温度140℃，压强10MPa、)热压45min后、使用真空管式炉在通氮气保护下对碳纸进行热处理(温度1500℃，升温速率30℃/min，热处理时间8h)热处理后得到燃料电池用高性能碳纸。
实施例3
(1)取10质量份粘胶纤维(湖北化纤厂，长度3mm)，2质量份纤维素纳米纤丝(NFC，购于KEXLAN)，88质量份碳纤维(日本帝人公司，聚丙烯腈基碳纤维，长度6mm，电阻率1～10mΩ/cm)加入到带搅拌器的分散桶中，加入适量的水使得粘胶纤维、纤维素纳米纤丝与碳纤维的总质量分数为0.15％，开动搅拌，转速700rpm，先加入0.03wt％的吐温-80，后加入0.12wt％的聚氧化乙烯(PEO，分子量600万)，待碳纤维完全分散为单根纤维后加入0.15wt％聚乙烯醇溶液(PVA，分子量17～22万)(聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比10％)，机械搅拌10min后，经湿法成型设备制成湿纸幅，烘箱干燥(温度90～110℃，时间30～40min)，制成定量为90g/m2的碳纸前驱体。
(2)将碳纸前驱体浸渍于质量分数10％的碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂(酸化碳纳米管的用量占硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂的质量的0.5％)的乙醇溶液中，并利用超声设备辅以超声，浸渍1min，取出烘干，并在其表面涂布具有疏水作用的聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯乳液的固含量为60％，其涂布量2g/m2)，干燥后，置于平板硫化机(温度140℃，压强10MPa、)热压45min后、使用真空管式炉在通氮气保护下对碳纸进行热处理(温度1400℃，升温速率30℃/min，热处理时间8h)热处理后得到燃料电池用高性能碳纸。
实施例4
(1)取15质量份粘胶纤维(湖北化纤厂，长度3mm)，2质量份纤维素纳米纤丝(NFC，购于KEXLAN)，83质量份碳纤维(日本帝人公司，聚丙烯腈基碳纤维，长度6mm，电阻率1～10mΩ/cm)加入到带搅拌器的分散桶中，加入适量的水使得粘胶纤维、纤维素纳米纤丝与碳纤维的总质量分数为0.15％，开动搅拌，转速700rpm，先加入0.04wt％的吐温-80，后加入0.12wt％的聚氧化乙烯(PEO，分子量600万)，待碳纤维完全分散为单根纤维后加入0.15wt％聚乙烯醇溶液(PVA，分子量17～22万)(聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比10％)，机械搅拌10min后，经湿法成型设备制成湿纸幅，烘箱干燥(温度90～110℃，时间30～40min)，制成定量为90g/m2的碳纸前驱体。
(2)将碳纸前驱体浸渍于质量分数10％的碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂(酸化碳纳米管的用量占硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂的质量的0.5％)的乙醇溶液中，并利用超声设备辅以超声，浸渍1min，取出烘干，并在其表面涂布具有疏水作用的聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯乳液的固含量为60％，其涂布量2g/m2)，干燥后，置于平板硫化机(温度140℃，压强10MPa、)热压45min后、使用真空管式炉在通氮气保护下对碳纸进行热处理(温度1400℃，升温速率30℃/min，热处理时间8h)热处理后得到燃料电池用高性能碳纸。
对比例1
(1)取10质量份粘胶纤维(湖北化纤厂，长度3mm)，2质量份纤维素纳米纤丝(NFC，购于KEXLAN)，88质量份碳纤维(日本帝人公司，聚丙烯腈基碳纤维，长度6mm，电阻率1～10mΩ/cm)加入到带搅拌器的分散桶中，加入适量的水使得粘胶纤维、纤维素纳米纤丝与碳纤维的总质量分数为0.15％，开动搅拌，转速700rpm，先加入0.04wt％的吐温-80，后加入0.12wt％的聚氧化乙烯(PEO，分子量600万)，待碳纤维完全分散为单根纤维后加入0.13wt％聚乙烯醇溶液(PVA，分子量17～22万)(聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比10％)，机械搅拌10min后，经湿法成型设备制成湿纸幅，烘箱干燥(温度90～110℃，时间30～40min)，制成定量为90g/m2的碳纸前驱体。
(2)将碳纸前驱体浸渍于普通市购的酚醛树脂(华凯羟基丙烯酸树脂HK-8021)的乙醇溶液(浓度为质量百分比10％)中，并利用超声设备辅以超声，浸渍1min，取出烘干，并在其表面涂布具有疏水作用的聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯乳液的固含量为60％，其涂布量2g/m2)，干燥后，置于平板硫化机(温度140℃，压强10MPa、)热压45min后、使用真空管式炉在通氮气保护下对碳纸进行热处理(温度1500℃，升温速率30℃/min，热处理时间8h)热处理后得到燃料电池用高性能碳纸。
对比例2
(1)取10质量份粘胶纤维(湖北化纤厂，长度3mm)，2质量份纤维素纳米纤丝(NFC，购于KEXLAN)，88质量份碳纤维(日本帝人公司，聚丙烯腈基碳纤维，长度6mm，电阻率1～10mΩ/cm)加入到带搅拌器的分散桶中，加入适量的水使得粘胶纤维、纤维素纳米纤丝与碳纤维的总质量分数为0.15％，开动搅拌，转速700rpm，先加入0.04wt％的吐温-80，后加入0.12wt％的聚氧化乙烯(PEO，分子量600万)，待碳纤维完全分散为单根纤维后加入0.13wt％聚乙烯醇溶液(PVA，分子量17～22万)(聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比10％)，机械搅拌10min后，经湿法成型设备制成湿纸幅，烘箱干燥(温度90～110℃，时间30～40min)，制成定量为90g/m2的碳纸前驱体。
(2)将碳纸前驱体浸渍于普通市购的酚醛树脂(华凯羟基丙烯酸树脂HK-8021)的乙醇溶液(浓度为质量百分比10％)中，并利用超声设备辅以超声，浸渍1min，取出烘干，并在其表面涂布具有疏水作用的聚四氟乙烯乳液(聚四氟乙烯乳液的固含量为60％，其涂布量2g/m2)，干燥后，置于平板硫化机(温度140℃，压强10MPa、)热压45min后、使用真空管式炉在通氮气保护下对碳纸进行热处理(温度2400℃，升温速率30℃/min，热处理时间8h)热处理后得到燃料电池用高性能碳纸。
对比例3
(1)将碳纤维(日本帝人公司，聚丙烯腈基碳纤维，长度6mm，电阻率1～10mΩ/cm)加入到带搅拌器的分散桶中，加入适量的水使得碳纤维的质量分数为0.15％，开动搅拌，转速700rpm，先加入0.04wt％的吐温-80，后加入0.12wt％的聚氧化乙烯(PEO，分子量600万)，待碳纤维完全分散为单根纤维后加入0.13wt％聚乙烯醇溶液(PVA，分子量17～22万)(聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比10％)，机械搅拌10min后，经湿法成型设备制成湿纸幅，烘箱干燥(温度90～110℃，时间30～40min)，制成定量为80g/m2的碳纸前驱体。
(2)将碳纸前驱体浸渍于质量分数10％的碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂(酸化碳纳米管的用量占硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂的质量的0.5％)的乙醇溶液中，并利用超声设备辅以超声，浸渍1min，取出烘干，并在其表面涂布具有疏水作用的聚四氟乙烯乳液(涂布量2g/m2)，干燥后，置于平板硫化机(温度140℃，压强10MPa、)热压45min后、使用真空管式炉在通氮气保护下对碳纸进行热处理(温度1500℃，升温速率30℃/min，热处理时间8h)热处理后得到燃料电池用高性能碳纸。
效果实施例
对实施例1～4和对比例1～3制备得到的燃料电池用碳纸的厚度、紧度、电阻率、拉伸强度、孔隙率以及其前驱体(即实施例1～4和对比例1～3步骤(1)制备的碳纸前驱体)的抗张指数进行检测；其中，使用L&W纸页抗张强度仪测定碳纸的抗张强度，结合定量计算得出碳纸的抗张指数；根据GB/T451.3-2002，使用L&W厚度仪与电脑测控的紧度仪测定碳纸的厚度和紧度；按照ASTM D3039，利用电子万能材料试验机对碳纤维纸的力学性能进行测试，拉伸速率2mm/min；利用四探针测试仪，采用四探针法对碳纸的电阻率进行测试；根据YBT908-1997，测定碳纸的孔隙率。测试结果如表1所示。
表1燃料电池用碳纸的性能测试结果
由表1结果可以看出，以粘胶纤维，纤维素纳米纤丝(NFC)，聚乙烯醇(PVA)三种原料复配抄造的碳纸前驱体具有更好的强度性能，同时浸渍碳纳米管，硼酸-腰果酚改性酚醛树脂可使碳纸的拉伸强度及电阻率等性能得到改善，在实施例1中，碳纸前驱体的抗张指数、电阻率和拉伸强度分别为20N·m/g、7.1mΩ/cm、65MPa。
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 (10)

1.一种用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将纤维原料加入到水中搅拌混合均匀，得到混合浆料I；然后依次将表面活性剂、聚氧化乙烯和聚乙烯醇溶液加入到混合浆料I中，搅拌均匀，得到混合浆料II；再将混合浆料II抄造成湿纸幅，干燥，得到碳纸前驱体；其中，纤维原料包括粘胶纤维、纤维素纳米纤丝和碳纤维；
(2)将步骤(1)中得到的碳纸前驱体浸渍于改性酚醛树脂的乙醇溶液中，烘干，并在其表面涂布疏水涂料，再进行热压和热处理，得到用于燃料电池的高性能碳纸；其中，所述的改性酚醛树脂为碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂；所述的热处理的条件为：1400～1600℃热处理6～8h。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的纤维原料包括如下按质量分数计的组分：粘胶纤维10～15份，碳纤维83～88份，纤维素纳米纤丝1～2份。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂通过如下方法制备得到：
(a)将苯酚、硼酸和醋酸混合后在100～120℃的条件下反应5～6h，然后升温至140～150℃保温30min～40min，再降温至65℃以下、加入腰果酚与多聚甲醛，升温至100～110℃反应30～45min，得到硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂；
(b)将酸化碳纳米管加入到硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂中，超声分散均匀，得到碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂；
步骤(b)中所述的酸化碳纳米管的用量占硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂的质量的0.5％～1％。
4.根据权利要求3所述的用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于，步骤(b)中所述的酸化碳纳米管通过如下方法制备得到：
将碳纳米管加入到混酸溶液中，加热至110～120℃保温5～6h，再用水清洗干净，得到酸化碳纳米管；其中混酸溶液为浓硫酸与浓硝酸按质量比3:1混合得到的溶液；
所述的碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为10～20nm，长度为10～30μm；
所述的浓硫酸为质量分数98％的浓硫酸；
所述的浓硝酸为质量分数68％的浓硝酸；
所述的碳纳米管的用量为占混酸溶液质量的2～2.5％。
5.根据权利要求3所述的用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于：
步骤(a)中所述的苯酚、硼酸、醋酸、腰果酚和多聚甲醛的质量比为40～60：10～25：1～5：10～30：20～60；
步骤(a)中所述的反应为搅拌反应，其转速为200～400rpm；
步骤(b)中所述的超声的条件为：40KHZ超声20～30min。
6.根据权利要求1所述的用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和/或沥青基碳纤维，长度为5～6mm、电阻率为0.001～0.01Ω·cm；
步骤(1)中所述的粘胶纤维的长度为3～5mm；
步骤(1)中所述的表面活性剂为吐温-80、土耳其红油和油酸甘油酯中的一种或其组合；
步骤(2)中所述的疏水涂料为聚四氟乙烯和环氧树脂中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述的用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的纤维原料占混合浆料I质量的0.1％～0.15％；
步骤(1)中所述的表面活性剂的添加量为占混合浆料II质量的0.02～0.05％；
步骤(1)中所述的聚氧化乙烯的添加量为占混合浆料II质量的0.1～0.2％；
步骤(1)中所述的聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比10％；
步骤(1)中所述的聚乙烯醇溶液的添加量为占混合浆料II质量的0.1～0.15％；
步骤(2)中所述的改性酚醛树脂的乙醇溶液的浓度为质量百分比8％～15％。
8.根据权利要求1所述的用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述的聚氧化乙烯的分子量为600万～800万；
步骤(1)中所述的搅拌的速度均为500～1000rpm；
步骤(1)中所述的搅拌的时间为10min以上；
步骤(1)中所述的聚乙烯醇的分子量为17～22万；
步骤(1)中所述的干燥的条件为：90～110℃干燥30～40min；
步骤(1)中所述的碳纸前驱体的定量为80～90g/m2；
步骤(2)中所述的浸渍的时间为1～3min；
步骤(2)中所述的热压的条件为：温度140～160℃，压强10～15MPa，热压时间45～60min；
步骤(2)中所述的热处理的条件为：在氮气保护下，1400～1600℃热处理6～8h；
步骤(2)中所述的疏水涂料的涂布量为1～2g/m2。
9.一种用于燃料电池的高性能碳纸，其特征在于，通过权利要求1～8任一项所述的方法制备得到。
10.权利要求9所述的一种用于燃料电池的高性能碳纸在燃料电池领域中的应用。
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