CN114156490A - 一种碳纤维复合化电解电极及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维复合化电解电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种碳纤维复合化电解电极，和现有的同类产品相比具有高导电率、高孔隙率以及更强的催化能力。为了实现上述目的，本发明一种碳纤维复合化电解电极，由螺旋状设置的单根中空碳纤维制成，所述中空碳纤维壁层上布设有裂纹，每段裂纹完全穿透壁层，且裂纹长度小于所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂纹之间间距不大于3纳米，所述中空碳纤维的外表面和内壁上均喷涂有催化剂。和现有技术相比，本发明孔隙率高达60％，并配备了两种催化剂。产品重量、体积都有所下降，更适用于小型化设备。

Description

一种碳纤维复合化电解电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及氢能制备领域，尤其涉及一种碳纤维复合化电解电极及 其制备方法。
背景技术
膜电极(Membrane ElectrodeAssembly，MEA)是质子交换膜燃料电 池(PEMFC)最核心的部件，是能量转换的多相物质传输和电化学反应场 所，涉及三相界面反应和复杂的传质h传热过程，直接决定PEMFC的性 能、寿命及成本。而膜电极的制备材料是影响到其性能的关键因素。现 有技术中为了提高膜电极的导电率及催化能力，进行了不懈的研究。如发明人于2018年申请的发明专利，公开号为CN108728863的发明专利《用 于制备碳纤维复合化电解电极的碳纤维复合化电解电极、及电解电极》 中，就公开了一种用于制备碳纤维复合化电解电极的碳纤维复合化电解 电极，其包括：步骤S1：将两条碳纤维条上下叠放，且两条碳纤维条互 相垂直；位于上方的为第一碳纤维条，位于下方的为第二碳纤维条；第 一碳纤维条和第二碳纤维条均为绷直状态，且紧密接触；步骤S2：将第 二碳纤维条往第一碳纤维条所在方向对折；对折后，第二碳纤维条夹住 第一碳纤维条；步骤S3：将第一碳纤维条往第二碳纤维条所在方向对折； 对折后，第一碳纤维条夹住第二碳纤维条；步骤S4：依次重复步骤S2和 步骤S3，直到无法对折，得到电解电极半成品；步骤S5：将半成品进行 热处理和加压处理，得到电解电极。本发明还提供了一种通过上述碳纤 维复合化电解电极制备的碳纤维复合化电解电极。
这样结构下的材料具有碳纤维连接形成网状多孔结构，强度更高， 长度更短，更为轻薄；以及排列一致性好，无断裂；导电性好，电阻低 等优点。
但是在长期使用过程中，对于新一代的MEA，现有技术已经难以满足 需求。我们期望能获取具有更高导电率、高孔隙率以及更强催化能力的 膜电极材料。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种碳纤维复合化电解 电极，和现有的同类产品相比具有高导电率、高孔隙率以及更强的催化 能力。
为了实现上述目的，本发明一种碳纤维复合化电解电极，由螺旋状 设置的单根中空碳纤维制成，所述中空碳纤维壁层上布设有裂纹，每段 裂纹完全穿透壁层，且裂纹长度小于所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂 纹之间间距不大于3纳米，所述中空碳纤维的外表面和内壁上均喷涂有 催化剂。
优选的，所述中空碳纤维上的裂纹通过纳米陶瓷刀物理切割而成。 这样的裂纹形成方式成本高，但是确保裂纹形状统一，间距均匀。通常 用于实验室使用。
优选的，所述中空碳纤维上的裂纹通过脉冲电化学加工冲压形成。 这样的裂纹形成方式成本低且利于大批量生成，缺点在于对于单个裂纹 的形状控制有限，但也足以应用于现有的场景。
优选的，所述脉冲电化学加工冲压作业处于至少4个大气压的环境 下进行。高压下进行脉冲电化学加工冲压工作可以避免形成过大的裂纹， 保证加工后的整条中空碳纤维强度符合预期，不会发生断裂。
优选的，所述中空碳纤维的外层和内壁上喷涂的催化剂种类不同。 现有技术中的中空碳纤维无法利用中空碳纤维内壁空间，而本发明利用 内外侧催化剂不同可以提高加工的精细度。
本发明还包括一种制备碳纤维复合化电解电极的制备方法，
步骤1：获取带有裂纹的中空碳纤维；
步骤2：获取直径小于1毫米的金属棒，以该金属棒为轴将带有裂纹 的中空碳纤维盘绕在其上，
步骤3：进行高温热压，并在热压过程中根据热压位置，逐渐抽出金 属棒。
优选的，中空碳纤维盘绕在金属棒时上下层的中空碳纤维外表面相互接 触。这样可以提高制成后的成品整体强度。
优选的，所述高温热压采用的温度为130-135摄氏度。
优选的，所述高温热压采用的压力为7公斤每平方厘米。这样的压 力既能保证热压效果，也可以保证金属棒可以顺利取出。
优选的，高温热压后的中空碳纤维厚度为原有的1/3。由于螺旋型的 中空碳纤维在压制后实际为两层，因此采用本发明工艺后产品实际厚度 为现有技术的2/3。
本方案中，由于中空碳纤维上密布了预设的裂纹，从而实现了高导 电率和高孔隙率的效果。而充分多的裂纹使得中空碳纤维内壁也和外界 充分接触，内壁上设置了催化剂增加了催化时的整体反应面积，从而提 高了催化能力。由于这样的设置，无需高温融化热塑性树脂，因此热压 温度只需130摄氏度左右即可，最终制成的成本厚度也小于现有的产品。
与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
和现有技术相比，如背景技术中记载的《用于制备碳纤维复合化电 解电极的碳纤维复合化电解电极、及电解电极》中的碳纤维复合化电解 电极成品孔隙率不超过40％，并且只能配置一种催化剂。而本发明在保持 和现有技术一致的高导电率前提下，提升孔隙率至60％，并最多可以配备 两种催化剂，提高了催化的效率。产品重量、体积都有所下降更适用于 小型化设备。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种用于制备碳纤维复合化电解电极的碳纤维复合 化电解电极，其包括：
一种制备碳纤维复合化电解电极的制备方法，
步骤1：获取带有裂纹的中空碳纤维；其中中空碳纤维为螺旋状设置 的单根中空碳纤维，螺旋设置的上下层的中空碳纤维外表面相互接触。 这样可以提高制成后的成品整体强度。所述中空碳纤维壁层上裂纹通过 纳米陶瓷刀物理切割而成，每段裂纹均完全穿透壁层，且裂纹长度小于 所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂纹之间间距不大于3纳米，所述中空 碳纤维的外表面和内壁上均喷涂有催化剂。
步骤2：获取直径小于1毫米的金属棒，以该金属棒为轴将带有裂纹 的中空碳纤维盘绕在其上，
步骤3：以130摄氏度的温度以及7公斤每平方厘米的压力进行高温 热压，并在热压过程中根据热压位置，逐渐抽出金属棒。金属棒抽出速 度和热压机工作速度一致。
高温热压后的中空碳纤维厚度为原有的1/3。由于螺旋型的中空碳纤 维在压制后实际为两层，因此采用本发明工艺后产品实际厚度为现有技 术的2/3。
这样的电极由于裂纹形成方式成本高，但是确保裂纹形状统一，间 距均匀。通常用于实验室使用。确保孔隙率在60％以上。根据实验目的不 同，中空碳纤维的外表面和内壁上喷涂有不同种类的催化剂。
实施例2
本实施例提供了一种用于制备碳纤维复合化电解电极的碳纤维复合 化电解电极，其包括：
一种制备碳纤维复合化电解电极的制备方法，
步骤1：获取带有裂纹的中空碳纤维；其中中空碳纤维为螺旋状设置 的单根中空碳纤维，螺旋设置的上下层的中空碳纤维外表面相互接触。 这样可以提高制成后的成品整体强度。所述中空碳纤维壁层上裂纹通过 脉冲电化学加工冲压形成，且形成过程在5个大气压的作用下，每段裂 纹均完全穿透壁层，且裂纹长度小于所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂 纹之间间距不大于3纳米，所述中空碳纤维的外表面和内壁上均喷涂有 催化剂。
步骤2：获取直径小于1毫米的金属棒，以该金属棒为轴将带有裂纹 的中空碳纤维盘绕在其上，
步骤3：以130摄氏度的温度以及7公斤每平方厘米的压力进行高温 热压，并在热压过程中根据热压位置，逐渐抽出金属棒。金属棒抽出速 度和热压机工作速度一致。
高温热压后的中空碳纤维厚度为原有的1/3。由于螺旋型的中空碳纤 维在压制后实际为两层，因此采用本发明工艺后产品实际厚度为现有技 术的2/3。
这样的电极由于裂纹形成方式成本相对较低，但是难以确保裂纹形 状统一，间距均匀。因此这样适合在大规模批量生产中应用。确保孔隙 率在55％以上。
实施例3，如实施例2，只是在带有裂纹的中空碳纤维制备过程中， 如果脉冲电化学加工冲压后的裂纹数量和形状达不到预期时，通过纳米 陶瓷刀再进行修整，最终达到每段裂纹完全穿透壁层，且裂纹长度小于 所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂纹之间间距不大于3纳米等要求。这 样的结构能兼顾成本和使用效果，孔隙率接近60％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例 /方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实 施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的 至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表 述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、 结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的 方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本 说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的 特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示 或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定 有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。 在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除 非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明 本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员 而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化 或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合化电解电极，其特征在于，由螺旋状设置的单根中空碳纤维制成，所述中空碳纤维壁层上布设有裂纹，每段裂纹完全穿透壁层，且裂纹长度小于所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂纹之间间距不大于3纳米，所述中空碳纤维的外表面和内壁上均喷涂有催化剂。
2.如权利要求1所述的碳纤维复合化电解电极，其特征在于，所述中空碳纤维上的裂纹通过纳米陶瓷刀物理切割而成。
3.如权利要求1所述的碳纤维复合化电解电极，其特征在于，所述中空碳纤维上的裂纹通过脉冲电化学加工冲压形成。
4.如权利要求3所述的碳纤维复合化电解电极，其特征在于，所述脉冲电化学加工冲压作业处于至少4个大气压的环境下进行。
5.如权利要求1-4任一所述的碳纤维复合化电解电极，其特征在于，所述中空碳纤维的外层和内壁上喷涂的催化剂种类不同。
6.一种制备如权利要求1所述碳纤维复合化电解电极的制备方法，其特征在于，
步骤1：获取带有裂纹的中空碳纤维；
步骤2：获取直径小于1毫米的金属棒，以该金属棒为轴将带有裂纹的中空碳纤维盘绕在其上，
步骤3：进行高温热压，并在热压过程中根据热压位置，逐渐抽出金属棒。
7.一种通过如权利要求6所述的碳纤维复合化电解电极的制备方法，其特征在于：中空碳纤维盘绕在金属棒时上下层的中空碳纤维外表面相互接触。
8.一种通过如权利要求6所述中空碳纤维的碳纤维复合化电解电极的制备方法，其特征在于：所述高温热压采用的温度为130-135摄氏度。
9.一种通过如权利要求6所述的碳纤维复合化电解电极的制备方法，其特征在于：所述高温热压采用的压力为7公斤每平方厘米。
10.一种通过如权利要求6-9其中任一所述的碳纤维复合化电解电极的制备方法，其特征在于：高温热压后的中空碳纤维厚度为原有的1/3。
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