CN113135000A - 燃料电池用高通量炭纸及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种燃料电池用高通量炭纸，其特征在于，所述炭纤维纸的厚度为0.12至0.2mm，体积密度为0.25至0.40g/cm3，孔隙率为78至85％，透气性≥2200ml·mm/(cm2·hr·mmAq)；面电阻率≤100mΩ·cm；热导率≥1.5W/(m·K)。本申请还公开了该炭纸的制备方案，其中所述炭纤维纸由二到六层碳纤维预浸纸页逐层叠加后连续整体穿孔后高温处理而成。本申请在干法碳纸基础上结合规则穿孔设计，形成碳纸厚度方向的水气快速通道，有利于高通量的气流通道，同时保留了无规则的孔隙通道对水气的横向扩散能力。

Description

燃料电池用高通量炭纸及其制备方法
技术领域
本发明涉及高性能炭纤维纸的制备技术领域，尤其涉及一种满足燃料电池用的炭纸及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池因能量转换效率高、无污染等优点在能源和节能技术领域具有广泛的应用。炭纤维纸是燃料电池核心部件气体扩散层的基体部分，担负起支撑催化剂、透气和排水、集流体的作用。随着燃料电池的高功率要求，对气体传质的高通量也要求更高。炭纸是多孔的介质，里面的孔结构是非连续性和不规则，会阻碍高通量的气体传输。此外，炭纸、微孔层和催化层三者之间的界面孔隙结构差异，易造成毛细压力剧变，导致液态水的积聚，因此，如何控制水气在多孔介质的之间传输是燃料电池发展亟需解决的问题。目前，炭纸的制备主要是湿法抄纸法和干法成纸法。但由于炭纸的厚度较薄，现有的炭纸制备工艺主要是基于单一结构设计，忽略了炭纸不同面的性能要求，无法满足高通量的气体传输和高排水量要求。目前市售碳纸的透气性在1800ml·mm/(cm2·hr·mmAq)，如何进一步提升碳纸的透气性和排水性是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种燃料电池用高通量炭纸及其制备方法。基于气体传输过程对孔隙的要求进行孔隙结构设计、工艺更简化、成本更低，有利于提高燃料电池的功率密度。
根据本申请的实施例，本发明的技术方案包括：
一种燃料电池用高通量炭纸，所述炭纤维纸的厚度为0.12至0.2mm，体积密度为0.25至0.40g/cm3，孔隙率为78至85％，透气性≥2200ml·mm/(cm2·hr·mmAq)；面电阻率≤100mΩ·cm；热导率≥1.5W/(m·K)。
在一些实施例中，所述高通量炭纸在其厚度方向具有规则排列的直径为50至100微米的通孔。
在一些实施例中，所述通孔之间的间距为1至10mm。
用于上述燃料电池用高通量炭纸的制备方法，其中所述炭纤维纸由二到六层碳纤维预浸纸页逐层叠加后连续整体穿孔后高温处理而成。
在一些实施例中，所述制备方法包括如下步骤：步骤S1：制备所述碳纤维预浸纸页；步骤S2：将多层所述制备得到的碳纤维预浸纸页逐层叠加后连续整体穿孔以形成碳纤维复合纸；以及步骤S3：对所述碳纤维复合纸进行高温处理得到所述高通量燃料电池炭纸。
在一些实施例中，步骤S1中所述碳纤维预浸纸页的制备方法包括如下步骤：步骤S11：将碳纤维短切成一定的长度后，经开松获得单根分散的碳纤维；步骤S12：将分散的碳纤维通过气流输纤机引入气流梳理机种进行梳理后成网；以及步骤S13：将碳纤维网通过浸胶工艺涂敷树脂后预干燥成所述碳纤维预浸纸页。
在一些实施例中，步骤S11中所述碳纤维短切长度为5至50mm中的一种或多种。
在一些实施例中，步骤S13中所述树脂为酚醛、环氧、乙烯基树脂等热固性树脂。
在一些实施例中，步骤S13中所述碳纤维预浸纸页的面密度在20至50g/m2之间。
在一些实施例中，步骤S2中所述碳纤维预浸纸页叠层连续穿孔的方法包括如下步骤：步骤S21：以成网方向为参考方向，将多层碳纤维预浸纸页逐层叠加后热压固化形成一体的碳纤维复合纸；步骤S22：采用激光微孔技术对固化后的碳纤维复合纸在其厚度方向进行连续整体穿孔，形成具有规则多孔的碳纤维复合纸。
本发明有益的技术效果在于：
(1)采用多层碳纤维预浸纸页叠层设计，便于根据炭纸两侧面的不同应用需求设计炭纸结构；
(2)采用干法成纸技术制备的碳纤维具有自由分布的无规则孔隙，其孔隙结构复杂，延长了气体的扩散通道。在干法碳纸基础上结合规则穿孔设计，形成碳纸厚度方向的水气快速通道，有利于高通量的气流通道，同时保留了无规则的孔隙通道对水气的横向扩散能力。
具体实施方式
以下通过对具体实施例的描述更加清晰完整地体现本申请的产品和工艺方法的结构、步骤特点以及其所带来的有益效果。
实施例1：
一种燃料电池用高通量炭纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)采用短切机对碳纤维进行切割，分别切割成长度为50mm和5mm的两种，比例分别为1:2，利用双辊纤维开松机对两种长度混合的短切炭纤维进行开松，利用空气为分散介质，采用高速回转的辊筒，将纤维原料分散为单根纤维状态；
(2)将分散的碳纤维通过气流输纤机引入气流梳理机种进行梳理后成网；
(3)将碳纤维网通过涂布浸胶工艺涂敷酚醛树脂后干燥形成面密度为30g/cm2的碳纤维预浸纸页；
(4)以成网方向为参考方向，将2层面密度为30g/m2的碳纤维预浸纸页逐层叠加后热压固化形成一体的碳纤维复合纸；
(5)采用纳秒绿光激光微孔技术对固化后的碳纤维复合纸在其厚度方向进行连续整体穿孔，在碳纤维复合纸上形成规则排列的直径为50微米的通孔，所述通孔遍布碳纤维复合纸，通孔与通孔的间隔为5mm；
(6)在氮气保护气氛下，温度为1050℃时进行预处理，随后在氩气保护气氛下，2300℃进行热处理；
所制成炭纤维纸的性能：厚度为0.12mm，体积密度为0.35g/cm3，孔隙率为82％，透气性为2800ml·mm/(cm2·hr·mmAq)；面电阻率为92mΩ·cm；热导率1.75W/(m·K)。
实施例2：
一种燃料电池用高通量炭纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)采用短切机对碳纤维进行切割，切割成长度为20mm，利用双辊纤维开松机对短切炭纤维进行开松，利用空气为分散介质，采用高速回转的辊筒，将纤维原料分散为单根纤维状态；
(2)将分散的碳纤维通过气流输纤机引入气流梳理机种进行梳理后成网；
(3)将碳纤维网通过涂布浸胶工艺涂敷环氧树脂后干燥形成面密度为20g/cm2的碳纤维预浸纸页；
(4)以成网方向为参考方向，将5层面密度为20g/m2的碳纤维预浸纸页逐层叠加后热压固化形成一体的碳纤维复合纸；
(5)采用纳秒紫外激光微孔技术对固化后的碳纤维复合纸在其厚度方向进行连续整体穿孔，在碳纤维复合纸上形成规则排列的直径为80微米的通孔，所述通孔遍布碳纤维复合纸，通孔与通孔的间隔为8mm；
(6)在氮气保护气氛下，温度为950℃时进行预处理，随后在氩气保护气氛下，2500℃进行热处理；
所制成炭纤维纸的性能：厚度为0.18mm，体积密度为0.39g/cm3，孔隙率为80％，透气性为2700ml·mm/(cm2·hr·mmAq)；面电阻率为86mΩ·cm；热导率2.04W/(m·K)。
实施例3：
一种燃料电池用高通量炭纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)采用短切机对碳纤维进行切割，分别切割成长度为20mm和40mm，利用双辊纤维开松机分别对不同长度的短切炭纤维进行开松，利用空气为分散介质，采用高速回转的辊筒，分别将不同长度纤维原料分散为单根纤维状态；
(2)分别将分散的碳纤维通过气流输纤机引入气流梳理机种进行梳理后成网；
(3)将两种不同短切长度的碳纤维网分别通过涂布浸胶工艺涂敷乙烯基树脂后干燥形成面密度为35和50g/cm2的碳纤维预浸纸页；
(4)以成网方向为参考方向，将一层面密度为35g/cm2、一层面密度为50g/cm2、一层面密度为35g/cm2碳纤维预浸纸页叠层后热压固化形成一体的碳纤维复合纸；
(5)采用纳秒紫外激光微孔技术对固化后的碳纤维复合纸在其厚度方向进行连续整体穿孔，在碳纤维复合纸上形成规则排列的直径为100微米的通孔，所述通孔遍布碳纤维复合纸，通孔与通孔的间隔为10mm；
(6)在氮气保护气氛下，温度为1000℃时进行预处理，随后在氩气保护气氛下，2100℃进行热处理；
所制成炭纤维纸的性能：厚度为0.21mm，体积密度为0.40g/cm3，孔隙率为82％，透气性为3200ml·mm/(cm2·hr·mmAq)；面电阻率为90mΩ·cm；热导率1.89W/(m·K)。
实施例4：
一种燃料电池用高通量炭纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)采用短切机对碳纤维进行切割，分别切割成长度为10、20和30mm，利用双辊纤维开松机分别对不同长度的短切炭纤维进行开松，利用空气为分散介质，采用高速回转的辊筒，分别将不同长度纤维原料分散为单根纤维状态；
(2)分别将分散的碳纤维通过气流输纤机引入气流梳理机种进行梳理后成网；
(3)将三种不同短切长度的碳纤维网分别通过涂布浸胶工艺涂敷乙烯基树脂后干燥形成面密度为20、30和35g/cm2的碳纤维预浸纸页；
(4)以成网方向为参考方向，依次将面密度为20g/cm2、面密度为30g/cm2、面密度为35g/cm2、面密度为30g/cm2和面密度为20g/cm2碳纤维预浸纸页叠层后热压固化形成一体的碳纤维复合纸；
(5)采用皮秒紫外激光微孔技术对固化后的碳纤维复合纸在其厚度方向进行连续整体穿孔，在碳纤维复合纸上形成规则排列的直径为40微米的通孔，所述通孔遍布碳纤维复合纸，通孔与通孔的间隔为4mm；
(6)在氮气保护气氛下，温度为1050℃时进行预处理，随后在氩气保护气氛下，1800℃进行热处理；
所制成炭纤维纸的性能：厚度为0.24mm，体积密度为0.25g/cm3，孔隙率为85％，透气性为3000ml·mm/(cm2·hr·mmAq)；面电阻率为100mΩ·cm；热导率1.50W/(m·K)。
实施例5：
一种燃料电池用高通量炭纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)采用短切机对碳纤维进行切割，切割成长度为15mm，利用双辊纤维开松机对短切炭纤维进行开松，利用空气为分散介质，采用高速回转的辊筒，将纤维原料分散为单根纤维状态；
(2)将分散的碳纤维通过气流输纤机引入气流梳理机种进行梳理后成网；
(3)将碳纤维网通过涂布浸胶工艺涂敷酚醛树脂后干燥形成面密度为30g/cm2的碳纤维预浸纸页；
(4)以成网方向为参考方向，将3层面密度为30g/m2的碳纤维预浸纸页逐层叠加后热压固化形成一体的碳纤维复合纸；
(5)采用皮秒绿光激光微孔技术对固化后的碳纤维复合纸在其厚度方向进行连续整体穿孔，在碳纤维复合纸上形成规则排列的直径为直径为20微米通孔，所述通孔遍布碳纤维复合纸，通孔与通孔的间隔为1mm；
(6)在氮气保护气氛下，温度为1050℃时进行预处理，随后在氩气保护气氛下，1900℃进行热处理；
所制成炭纤维纸的性能：厚度为0.15mm，体积密度为0.42g/cm3，孔隙率为78％，透气性为2200ml·mm/(cm2·hr·mmAq)；面电阻率为96mΩ·cm；热导率1.65W/(m·K)。
实施例6：
一种燃料电池用高通量炭纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)采用短切机对碳纤维进行切割，分别切割成长度为15、20和30mm，利用双辊纤维开松机分别对不同长度的短切炭纤维进行开松，利用空气为分散介质，采用高速回转的辊筒，分别将不同长度纤维原料分散为单根纤维状态；
(2)分别将分散的碳纤维通过气流输纤机引入气流梳理机种进行梳理后成网；
(3)将三种不同短切长度的碳纤维网分别通过涂布浸胶工艺涂敷酚醛树脂后干燥形成面密度为25、28和30g/cm2的碳纤维预浸纸页；
(4)以成网方向为参考方向，依次将面密度为25/cm2、面密度为28g/cm2、面密度为30g/cm2、面密度为30g/cm2和面密度为28g/cm2碳纤维预浸纸页叠层后热压固化形成一体的碳纤维复合纸；
(5)采用皮秒绿光激光微孔技术对固化后的碳纤维复合纸在其厚度方向进行连续整体穿孔，在碳纤维复合纸上形成规则排列的直径为20微米的通孔；所述通孔遍布碳纤维复合纸，通孔与通孔的间隔为1mm；
(6)在氮气保护气氛下，温度为950℃时进行预处理，随后在氩气保护气氛下，2000℃进行热处理；
所制成炭纤维纸的性能：厚度为0.12mm，体积密度为0.33g/cm3，孔隙率为81.5％，透气性为3200ml·mm/(cm2·hr·mmAq)；面电阻率为89mΩ·cm；热导率1.30W/(m·K)。该方案制备的碳纸，在高面密度面涂敷疏水和微孔层后，有利于气体扩散层的高通水和高排水效果。
虽然上述实施例中给出了2、3、5层的相同或不同面密度的碳纤维预浸纸页的叠加，但本申请还可以采用其他层数的，例如4、6或更多层的碳纤维预浸纸页进行叠加，也可以采用相同或不同面密度的碳纤维预浸纸页进行叠加，也并不违背本发明的精神。所述面密度不同的碳纤维预浸纸页叠层方式例如可以为中间层面密度高，两边面密度低。
虽然碳纤维预浸纸页可以按照本申请公开的方法自行制作以获得最佳效果，但应当理解实施者可以采购具有相同或类似性能的碳纤维预浸纸页实施被申请的方法。
应当理解，本申请的上述实施例给出了特定数值的通孔孔径，但应当理解，在保证气体扩散层的基本物理性能的前提下，上述通孔孔径可以更大或更小，例如可以是20至100微米之间的任意值，包括端点。
本申请的上述实施例给出了特定数值的通孔间距，但应当理解，在保证气体扩散层的物理性能的前提下，上述通孔间距可以更大或更小，例如通孔之间的间距可以为1至10mm。
应当理解，本申请的上述实施例给出了的通孔示例为均匀地遍布整个气体扩散层，但应当理解，仅对气体扩散层的一部分增加通孔也可以起到本申请主张的效果。
应当理解，所述通孔的截面形状可以是圆形，或基本是圆形，或是可加工出的其他形状。
本申请提供的方法和设备、装置以及基于该方法和设备、装置制成的超薄炭纤维纸并不局限于上述实施例中给出的参数和设置。一切符合本申请的基本特征的炭纤维纸及其制备工艺和系统均属于本申请的保护范围。
以上记载了本发明的优选实施例，但是本发明的精神和范围不限于这里所公开的具体内容。本领域技术人员能够根据本发明的教导任意组合和扩展上述各实施例而在本发明的精神和范围内做出更多的实施方式和应用。本发明的精神和范围不由具体实施例来限定，而由权利要求来限定。
本申请的发明内容可以通过以下示例实现：
1、一种燃料电池用高通量炭纸，其特征在于，所述炭纤维纸的厚度为0.12至0.2mm，体积密度为0.25至0.40g/cm3，孔隙率为78至85％，透气性≥2200ml·mm/(cm2·hr·mmAq)；面电阻率≤100mΩ·cm；热导率≥1.5W/(m·K)。
2、根据示例1所述的燃料电池用高通量炭纸，其特征在于，所述高通量炭纸在其厚度方向具有规则排列的直径为50至100微米的通孔。
3、根据示例2所述的燃料电池用高通量炭纸，其特征在于，所述通孔之间的间距为1至10mm。
4、根据示例1至3中任意一项的燃料电池用高通量炭纸的制备方法，其特征在于，所述炭纤维纸由二到六层碳纤维预浸纸页逐层叠加后连续整体穿孔后高温处理而成。
5、根据示例4的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤S1：制备所述碳纤维预浸纸页；
步骤S2：将多层所述制备得到的碳纤维预浸纸页逐层叠加后连续整体穿孔以形成碳纤维复合纸；
步骤S3：对所述碳纤维复合纸进行高温处理得到所述高通量燃料电池炭纸。
6、根据示例5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述碳纤维预浸纸页的制备方法包括如下步骤：
步骤S11：将碳纤维短切成一定的长度后，经开松获得单根分散的碳纤维；
步骤S12：将分散的碳纤维通过气流输纤机引入气流梳理机种进行梳理后成网；
步骤S13：将碳纤维网通过浸胶工艺涂敷树脂后预干燥成所述碳纤维预浸纸页。
7、根据示例6所述的制备方法，其特征在于，步骤S11中所述碳纤维短切长度为5至50mm中的一种或多种。
8、根据示例6所述的制备方法，其特征在于，步骤S13中所述树脂为酚醛、环氧、乙烯基树脂等热固性树脂。
9、根据示例6所述的制备方法，其特征在于，步骤S13中所述碳纤维预浸纸页的面密度在20至50g/m2之间。
10、根据示例4所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述碳纤维预浸纸页叠层连续穿孔的方法包括如下步骤：
步骤S21：以成网方向为参考方向，将多层碳纤维预浸纸页逐层叠加后热压固化形成一体的碳纤维复合纸；
步骤S22：采用激光微孔技术对固化后的碳纤维复合纸在其厚度方向进行连续整体穿孔，形成具有规则多孔的碳纤维复合纸。
11、根据示例10所述的制备方法，其特征在于，步骤S21所述多层碳纤维预浸纸页为二层到六层；所述不同层碳纤维预浸纸页的面密度相同。
12、根据示例10所述的制备方法，其特征在于，步骤S21所述多层碳纤维预浸纸页为二层到六层；所述不同层碳纤维预浸纸页的面密度不同。
13、根据示例12所述的制备方法，其特征在于，步骤S21所述多层碳纤维预浸纸页为二层到六层；所述面密度不同的碳纤维预浸纸页叠层方式为中间层面密度高，两边面密度低。
14、根据示例10所述的制备方法，其特征在于，步骤S22所述激光微孔技术采用纳秒或皮秒的紫外或绿光激光在碳纤维复合纸内制备规则排列的直径为50至100微米的通孔。
15、根据示例10所述的制备方法，其特征在于，所述通孔之间的间距为1至10mm。

Claims (10)

1.一种燃料电池用高通量炭纸，其特征在于，所述炭纤维纸的厚度为0.12至0.2mm，体积密度为0.25至0.40g/cm3，孔隙率为78至85％，透气性≥2200ml·mm/(cm2·hr·mmAq)；面电阻率≤100mΩ·cm；热导率≥1.5W/(m·K)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用高通量炭纸，其特征在于，所述高通量炭纸在其厚度方向具有规则排列的直径为50至100微米的通孔。
3.根据权利要求2所述的燃料电池用高通量炭纸，其特征在于，所述通孔之间的间距为1至10mm。
4.根据权利要求1至3中任意一项的燃料电池用高通量炭纸的制备方法，其特征在于，所述炭纤维纸由二到六层碳纤维预浸纸页逐层叠加后连续整体穿孔后高温处理而成。
5.根据权利要求4的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤S1：制备所述碳纤维预浸纸页；
步骤S2：将多层所述制备得到的碳纤维预浸纸页逐层叠加后连续整体穿孔以形成碳纤维复合纸；
步骤S3：对所述碳纤维复合纸进行高温处理得到所述高通量燃料电池炭纸。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述碳纤维预浸纸页的制备方法包括如下步骤：
步骤S11：将碳纤维短切成一定的长度后，经开松获得单根分散的碳纤维；
步骤S12：将分散的碳纤维通过气流输纤机引入气流梳理机种进行梳理后成网；
步骤S13：将碳纤维网通过浸胶工艺涂敷树脂后预干燥成所述碳纤维预浸纸页。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S11中所述碳纤维短切长度为5至50mm中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S13中所述树脂为酚醛、环氧、乙烯基树脂等热固性树脂。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S13中所述碳纤维预浸纸页的面密度在20至50g/m2之间。
10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述碳纤维预浸纸页叠层连续穿孔的方法包括如下步骤：
步骤S21：以成网方向为参考方向，将多层碳纤维预浸纸页逐层叠加后热压固化形成一体的碳纤维复合纸；
步骤S22：采用激光微孔技术对固化后的碳纤维复合纸在其厚度方向进行连续整体穿孔，形成具有规则多孔的碳纤维复合纸。
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