CN115341407A - 一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸及其制备方法和应用 - Google Patents

一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，提供了一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸及其制备方法和应用。本发明的制备方法包括：将人造纤维和水混合，进行机械处理，得到机械处理后的人造纤维；利用乙醇和丙酮混合物对碳纤维进行脱胶处理，采用混合酸对脱胶后的碳纤维进行液相氧化，得到改性碳纤维；将机械处理后的人造纤维、改性碳纤维和水混合，进行疏解处理，所得混合浆料湿法成形，得到碳纤维纸原纸；所述碳纤维纸原纸浸渍于树脂溶液，取出后依次进行干燥和热压固化，得到碳纤维/树脂复合体；对碳纤维/树脂复合体依次进行碳化和石墨化处理，得到所述碳纤维纸。本发明制备得到的碳纤维纸具有高匀度、高导电性、高透气率以及高强度的性能。

Description

一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸及其制备方法和应用。
背景技术
燃料电池发电技术是继水力、火力、核能发电之后的第四类发电技术，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。其中，质子交换膜燃料电池是燃料电池中最具发展前景的一类，它具有体积重量小、能量密度高、启动速度快、运行安全可靠等优点，因而备受关注。气体扩散层作为质子交换膜燃料电池的关键部件之一，它不仅要起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还要为电极反应提高气体通道、质子通道、电子通道和排水通道，其性能对燃料电池的电池性能产生了直接影响。气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，而基底层材料主要包括碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布或炭黑纸，其中碳纤维纸因其优良的性能被广泛认可。
气体扩散层基底层用碳纤维纸是通过湿法成形技术将碳纤维制成碳纸原纸，后经树脂浸渍、碳化和石墨化等工艺制成的。气体扩散层基底层用碳纤维纸的性能要求主要包括：高匀度(高分散性)、高导电性、高透气率和高强度。其中，高导电性主要取决于碳化-石墨化工艺过程；高匀度、高透气率和强度性能主要与以下三个方面密切相关：(1)碳纤维的分散性；(2)碳纤维纸原纸的强度；(3)碳纤维/树脂的界面结合性能。
针对碳纤维的分散性问题，部分研究者采用添加分散剂或纳米纤维素的方式来解决，例如中国专利CN111900418A，但是该方法只能在一定限度内提高碳纤维的分散性能。针对碳纤维纸原纸的强度问题，中国专利CN 100336972C、CN 103556543 B、CN 101047253 A等将热粘结纤维加入到碳纤维分散液中，使得粘结纤维在干燥固化时熔融，而提升碳纤维纸原纸的强度性能，但是热粘结纤维在碳化-石墨化工艺后残炭率较低、导电性较差，严重地损害了碳纤维纸的透气性和导电性能。
综上所述，面对燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的严苛要求，制备高匀度、高导电性、高透气率、高强度的碳纤维纸仍然是一大挑战。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法制备得到的碳纤维纸具有高匀度、高导电性、高透气率以及高强度的性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的制备方法，包括以下步骤：
将人造纤维和水混合，进行机械处理，得到机械处理后的人造纤维；所述人造纤维包括粘胶纤维和/或Lyocell纤维；
利用乙醇和丙酮的混合物对碳纤维进行脱胶处理，采用混合酸对脱胶后的碳纤维进行液相氧化，得到改性碳纤维；
将所述机械处理后的人造纤维、所述改性碳纤维和水混合，进行疏解处理，所得混合浆料进行湿法成形，得到碳纤维纸原纸；
将所述碳纤维纸原纸浸渍于树脂溶液，取出后依次进行干燥和热压固化，得到碳纤维/树脂复合体；
对所述碳纤维/树脂复合体依次进行碳化和石墨化处理，得到所述碳纤维纸。
优选地，所述人造纤维的长度为1～5mm。
优选地，所述混合酸为硝酸和硫酸的混合液。
优选地，所述液相氧化的温度为40～70℃，时间为0.5～3h。
优选地，所述碳纤维的长度为1～9mm，直径为4～8μm；所述混合浆料中机械处理后的人造纤维和改性碳纤维的总浓度为0.02～0.5wt％。
优选地，所述树脂溶液包括酚醛树脂的乙醇溶液；所述树脂溶液中树脂的浓度为5～40wt％，所述浸渍的时间为0.5～3h。
优选地，所述热压固化的温度为120～250℃，压力为2～30MPa，时间为10～60min。
优选地，所述碳化的温度为1200～1600℃，压力为1～100kPa，保温保压时间为0.2～2h；
所述石墨化处理的温度为2400～3200℃，压力为1～100kPa，保温保压时间为0.2～1h。
本发明还提供了上述所述制备方法制备得到的碳纤维纸，所述碳纤维纸的气体透过率为1400～2230ml·mm/(cm2·hr·mmAg)；平行向电阻率为10～22mΩ·cm，垂直向电阻率80～126mΩ·cm；拉伸强度为17～23MPa。
本发明还提供了上述所述制备方法制备得到的碳纤维纸或上述所述的碳纤维纸作为燃料电池气体扩散层的应用。
本发明提供了一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的制备方法，包括以下步骤：将人造纤维和水混合，进行机械处理，得到机械处理后的人造纤维；所述人造纤维包括粘胶纤维和/或Lyocell纤维；利用乙醇和丙酮的混合物对碳纤维进行脱胶处理，采用混合酸对脱胶后的碳纤维进行液相氧化，得到改性碳纤维；将所述机械处理后的人造纤维、所述改性碳纤维和水混合，进行疏解处理，所得混合浆料进行湿法成形，得到碳纤维纸原纸；将所述碳纤维纸原纸浸渍于树脂溶液，取出后依次进行干燥和热压固化，得到碳纤维/树脂复合体；对所述碳纤维/树脂复合体依次进行碳化和石墨化处理，得到所述碳纤维纸。
本发明的制备方法有益效果如下：
(1)本发明以人造纤维为原料，人造纤维经过机械处理后，纤维表面发生了显著的分丝帚化现象，利于提高纤维匀度。同时，碳纤维在经混合酸氧化改性后，碳纤维表面的粗糙度显著增加，增强了碳纤维纸原纸在树脂浸渍、热压固化过程中人造纤维和碳纤维与浸渍树脂之间的机械啮合作用，提升了人造纤维与树脂、碳纤维与树脂间的界面结合性能，从而提高了碳纤维纸的强度。
(2)本发明碳纤维在经混合酸液相氧化处理后，其表面会产生含氧基团(羟基、羧基、羰基等)，在一定程度上能够提高其在水中的分散性能。而且，人造纤维表面具有大量的亲水基团(羟基)，当和碳纤维复合后，能够显著提升纤维浆料体系zeta电位的绝对值，因此，在无需添加分散剂的情况下，也能提高碳纤维在体系中的分散性能。此外，人造纤维表面的亲水基团和碳纤维表面的含氧基团，使人造纤维与人造纤维间、人造纤维与碳纤维间均形成了大量的氢键，在无需添加粘结剂的情况下，也能使碳纤维纸原纸在湿态和干态下均能获得一定的强度性能，为解决了碳纤维纸强度差的问题提供了基础。
(3)本发明中人造纤维和酚醛树脂在经过碳化处理后，其中的非碳成分被除去，导电性得到提高；为了进一步提升碳纤维纸的导电性能，本发明增加了石墨化工艺，在石墨化过程中，非碳成分被进一步去除，碳含量提高，使碳原子实现由乱层结构向石墨晶体结构的有序转化，石墨微晶尺寸增长，微晶取向提高，进而提高碳纤维纸的导电性能。
(4)透气性能与碳纤维纸中的孔隙结构直接相关。碳纤维纸中的孔隙是在碳化过程和石墨化过程中，人造纤维和酚醛树脂中的非碳成分去除而形成的，孔隙率、孔隙大小和分布情况与人造纤维与碳纤维在体系中的分散情况密切相关，因此，优异的分散性能直接导致了较高的透气率和孔隙率。本发明提供的制备方法无需使用分散剂和粘结剂等原料，工艺简单，能够同时满足碳纤维纸的高分散性、高导电性、高透气性和高强度的要求。
具体实施方式
本发明提供了一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的制备方法，包括以下步骤：
将人造纤维和水混合，进行机械处理，得到机械处理后的人造纤维；所述人造纤维包括粘胶纤维和/或Lyocell纤维；
利用乙醇和丙酮的混合物对碳纤维进行脱胶处理，采用混合酸对脱胶后的碳纤维进行液相氧化，得到改性碳纤维；
将所述机械处理后的人造纤维、所述改性碳纤维和水混合，进行疏解处理，所得混合浆料进行湿法成形，得到碳纤维纸原纸；
将所述碳纤维纸原纸浸渍于树脂溶液，取出后依次进行干燥和热压固化，得到碳纤维/树脂复合体；
对所述碳纤维/树脂复合体依次进行碳化和石墨化处理，得到所述碳纤维纸。
本发明将人造纤维和水混合，进行机械处理，得到机械处理后的人造纤维。
在本发明中，所述人造纤维包括粘胶纤维和/或Lyocell纤维，优选为Lyocell纤维。在本发明中，所述人造纤维的长度优选为1～5mm，更优选为2～5mm；所述人造纤维的纤度优选为1～8dtex，更优选为3～6dtex。
在本发明中，所述人造纤维与天然植物纤维不同，属于再生纤维素纤维，具有尺寸均一且可调、结晶取向度较高、强度性能优异等特点。此外，人造纤维表面具有大量的羟基等亲水基团，在水系中分散性优异，且能够进行分丝帚化，为后续的机械处理提供了基础。
在本发明中，所述机械处理的方式优选为打浆处理或磨浆处理。在本发明中，所述打浆处理的转速优选为6000～12000r，打浆度优选为28～57°SR，更优选为30～43°SR；所述打浆处理优选在PFI机中进行。
所述机械处理后，本发明优选还包括依次进行脱水和干燥。在本发明中，所述干燥的温度优选为80～120℃，更优选为100℃；时间优选为0.2～4h，更优选为0.5h。
本发明利用乙醇和丙酮的混合物对碳纤维进行脱胶处理，采用混合酸对脱胶后的碳纤维进行液相氧化，得到改性碳纤维。
在本发明中，所述混合酸为硝酸和硫酸的混合液。在本发明中，所述混合酸优选由浓度为60～68wt％的硝酸和浓度为98wt％的硫酸混合得到。在本发明中，所述混合酸中硫酸与硝酸的体积比1:3～3:1，更优选为1:1。
在本发明中，所述碳纤维的长度优选为1～9mm，更优选为2～7mm；所述碳纤维的直径优选为4～8μm，更优选为5～6μm。在发明中，所述乙醇和丙酮的混合物中乙醇和丙酮的体积比优选为2:1～1:2；更优选为1:1。
在本发明中，所述提取优选为索氏提取，所述提取的温度为20～30℃，更优选为25℃，时间优选为24～48h，更优选为28～40h。
在本发明中，所述液相氧化的温度优选为40～70℃，更优选为50～60℃；时间优选为0.5～3h，更优选为1～2h。
所述液相氧化后，本发明优选还包括将液相氧化处理所得的碳纤维依次进行洗涤和干燥。在本发明中，所述洗涤的试剂优选为碳酸氢钠溶液，所述洗涤的次数优选≥2，更优选为3。在本发明中，所述干燥的温度优选为80～120℃，更优选为105℃；本发明对所述干燥的时间不做具体限定，能够将产物干燥即可。
得到机械处理后的人造纤维和改性碳纤维后，本发明将所述机械处理后的人造纤维、所述改性碳纤维和水混合，进行疏解处理，所得混合浆料进行湿法成形，得到碳纤维纸原纸。
在本发明中，所述人造纤维浆料中的人造纤维和改性碳纤维的绝干质量比优选为1:9～9:1，更优选为2:8。在本发明中，所述混合浆料中人造纤和改性碳纤维的总浓度优选为0.02～0.5wt％，更优选为0.05～0.3wt％。
在本发明中，所述湿法成形优选为斜网湿法成形。在本发明中，所述斜网湿法成形包括依次进行脱水、压榨和干燥。在本发明中，对所述脱水、压榨和干燥的具体操作不作具体限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。
得到碳纤维纸原纸后，本发明将所述碳纤维纸原纸浸渍于树脂溶液，取出后依次进行干燥和热压固化，得到碳纤维/树脂复合体。
在本发明中，所述树脂溶液优选包括酚醛树脂的乙醇溶液；所述树脂溶液中树脂的浓度优选为5～40wt％，更优选为10～30wt％。
在本发明中，所述浸渍的时间优选为0.5～3h，更优选为1～2h。在本发明中，所述干燥的温度优选为80～120℃，更优选为90～105℃；时间优选为0.5～4h，更优选为1～2h。在本发明中，所述热压固化的温度优选为120～250℃，更优选为130～180℃，压力优选为2～30MPa，更优选为5～25MPa，保温保压时间优选为10～60min，更优选为20～50min。在本发明中，所述热压固化优选在平板硫化机进行。
得到碳纤维/树脂复合体后，本发明对碳纤维/树脂复合体依次进行碳化和石墨化处理，得到所述碳纤维纸。
在本发明中，所述碳化的温度优选为1200～1600℃，更优选为1300～1500℃；压力优选为1～100kPa，更优选为10～50kPa；保温保压时间优选为0.2～2h，更优选为0.4～0.8h。
在本发明中，所述石墨化处理的温度优选为2400～3200℃，更优选为2600～3000℃；压力优选为1～100kPa，更优选为10～50kPa；保温保压时间优选为0.2～1h，更优选为0.3～0.5h。
本发明还提供了上述所述的方法制备得到的碳纤维纸，所述碳纤维纸的气体透过率优选为1400～2230mL·mm/(cm2·hr·mmAg)，更优选为1500～2100ml·mm/(cm2·hr·mmAg)；在本发明中，所述碳纤维纸的平行向电阻率优选为10～22mΩ·cm，更优选为15～20mΩ·cm；所述碳纤维纸的垂直向电阻率80～126mΩ·cm，更优选为90～120mΩ·cm，所述碳纤维纸的拉伸强度为17～23MPa，更优选为20～22MPa。
本发明还提供了上述所述制备方法制备得到的碳纤维纸或上述所述的碳纤维纸作为燃料电池气体扩散层的应用。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
将20g绝干Lyocell纤维(长度为5mm、纤度为5dtex)加入去离子水至200g，置于PFI机中打浆处理，打浆转数为9000r，打浆度为43°SR，经脱水、干燥(干燥温度100℃)后，制得机械处理后的Lyocell纤维。
采用乙醇和丙酮混合物(体积比1：1)对碳纤维(长度为6mm、直径为5μm)进行索氏提取48h，再用混合酸(68wt％硝酸与98wt％的硫酸体积比1:1)对碳纤维进行液相氧化，温度为60℃，时间为1h；然后将液相氧化处理所得产物经碳酸氢钠溶液洗涤、干燥(干燥温度为105℃)后，得到改性碳纤维。
将所述机械处理后的Lyocell纤维和改性碳纤维按照绝干质量比2:8进行混合，并加入去离子水，用疏解机疏解处理后，得到混合浆料，混合浆料中机械处理后的Lyocell纤维和改性碳纤维的总浓度为0.05wt％，采用斜网湿法成形工艺，依次脱水、压榨和干燥，得到碳纤维纸原纸。
将碳纤维纸原纸浸渍在质量浓度为15％的酚醛树脂乙醇溶液中1h，取出后干燥，在150℃、10MPa条件下用平板硫化机进行热压固化0.5h，制得制得碳纤维/树脂复合体。
在50kPa压力的条件下对碳纤维/树脂复合体依次进行碳化和石墨化处理，碳化的温度为1500℃，碳化的时间为1h；石墨化处理的温度为3000℃，石墨化处理的时间为0.5h，制得碳纤维纸。
实施例1制得的碳纤维纸的性能参数为：厚度为196μm，气体透过率为2100mL·mm/(cm2·hr·mmAg)，孔隙率为80％，平行向电阻率为10mΩ·cm，垂直向电阻率80mΩ·cm，拉伸强度20MPa，挺度为331mN(角度15°，长度10mm)。
实施例2
将20g绝干Lyocell纤维(长度为5mm、纤度为5dtex)加入去离子水至200g，置于PFI机中打浆处理，打浆转数为6000r，打浆度为28°SR，经脱水、干燥(干燥温度100℃)后，制得机械处理后的Lyocell纤维；
采用乙醇和丙酮混合物(体积比1:1)对碳纤维(长度为6mm、直径为5μm)进行索氏提取，处理时间为48h，再用混合酸(68wt％硝酸与98wt％的硫酸体积比1:1)对碳纤维进行液相氧化，温度为60℃，时间为1h，然后将液相氧化处理所得产物经碳酸氢钠溶液洗涤、干燥(干燥温度为105℃)后得到改性碳纤维；
将所述机械处理后的Lyocell纤维和改性碳纤维按照绝干质量比3:7进行混合，并加入去离子水，用疏解机疏解处理后，得到混合浆料，混合浆料中机械处理后的Lyocell纤维和改性碳纤维的总浓度为0.05wt％，采用斜网湿法成形工艺，依次脱水、压榨和干燥，得到碳纤维纸原纸；
将碳纤维纸原纸浸渍在质量浓度为15％的酚醛树脂乙醇溶液中1h，取出后干燥，在120℃、10MPa条件下用平板硫化机进行热压固化0.5h，制得制得碳纤维/树脂复合体。
在50kPa压力的条件下对碳纤维/树脂复合体依次进行碳化和石墨化处理，碳化的温度为1500℃，碳化的时间为1h；石墨化处理的温度为3000℃，石墨化处理的时间为0.5h，制得碳纤维纸。
实施例2制得的碳纤维纸的性能参数为：厚度为205μm，气体透过率为1700mL·mm/(cm2·hr·mmAg)，孔隙率为75％，平行向电阻率为18mΩ·cm，垂直向电阻率97mΩ·cm，拉伸强度23MPa，挺度为362mN(角度15°，长度10mm)。
实施例3
将20g绝干Lyocell纤维(长度为5mm、纤度为5dtex)加入去离子水至200g，置于PFI机中打浆处理，打浆转数为12000r，打浆度为57°SR，经脱水、干燥(干燥温度100℃)后，制得机械处理后的Lyocell纤维；
采用乙醇和丙酮混合物(体积比1:1)对碳纤维(长度为6mm、直径为5μm)进行索氏提取，处理时间为48h，再用混合酸(68wt％硝酸与98wt％的硫酸体积比1:1)对碳纤维进行液相氧化，温度为60℃，时间为1h，然后将液相氧化处理所得产物经碳酸氢钠溶液洗涤、干燥(干燥温度为105℃)后得到改性碳纤维；
将机械处理后的Lyocell纤维和改性碳纤维按照绝干质量比2:8进行混合，并加入去离子水，用疏解机疏解处理后，得到混合浆料，混合浆料中机械处理后的Lyocell纤维和改性碳纤维的总浓度为0.05wt％，采用斜网湿法成形工艺，依次脱水、压榨和干燥，得到碳纤维纸原纸；
将碳纤维纸原纸浸渍在质量浓度为15％的酚醛树脂-乙醇溶液中1h，取出后干燥，在150℃、10MPa条件下用平板硫化机进行热压固化0.5h，制得制得碳纤维/树脂复合体。
在10kPa压力的条件下对碳纤维/树脂复合体依次进行碳化和石墨化处理，碳化的温度为1500℃，碳化的时间为1h；石墨化处理的温度为3000℃，石墨化处理的时间为0.5h，制得碳纤维纸。
实施例3制得的碳纤维纸的性能参数为：厚度为213μm，气体透过率为1400mL·mm/(cm2·hr·mmAg)，孔隙率为71％，平行向电阻率为13mΩ·cm，垂直向电阻率86mΩ·cm，拉伸强度19MPa，挺度为311mN(角度15°，长度10mm)。
实施例4
将20g绝干Lyocell纤维(长度为5mm、纤度为5dtex)加入去离子水至200g，置于PFI机中打浆处理，打浆转数为9000r，打浆度为43°SR，经脱水、干燥(干燥温度100℃)后，制得机械处理后的Lyocell纤维。
采用乙醇和丙酮混合物(体积比1:1)对碳纤维(长度为6mm、直径为5μm)进行索氏提取，处理时间为48h，再用混合酸(68wt％硝酸与98wt％的硫酸体积比1:1)对碳纤维进行液相氧化，温度为60℃，时间为1h，然后将液相氧化处理所得产物经碳酸氢钠溶液洗涤、干燥(干燥温度为105℃)后，得到改性碳纤维。
将所述机械处理后的Lyocell纤维和改性碳纤维按照绝干质量比2:8进行混合，并加入去离子水，用疏解机疏解处理后，得到混合浆料，混合浆料中机械处理后的Lyocell纤维和改性碳纤维的总浓度为0.05wt％，采用斜网湿法成形工艺，依次脱水、压榨和干燥，得到碳纤维纸原纸。
将碳纤维纸原纸浸渍在浓度为质量10％的酚醛树脂-乙醇溶液，浸渍时间长为1h，取出后干燥，在150℃、10MPa条件下用平板硫化机进行热压固化0.5h，制得制得碳纤维/树脂复合体。
在50kPa压力的条件下对碳纤维/树脂复合体依次进行碳化和石墨化处理，碳化的温度为1500℃，碳化的时间为1h；石墨化处理的温度为3000℃，石墨化处理的时间为0.5h，制得碳纤维纸。
实施例4制得的碳纤维纸的性能参数为：厚度为205μm，气体透过率为2230mL·mm/(cm2·hr·mmAg)，孔隙率为83％，平行向电阻率为13mΩ·cm，垂直向电阻率85mΩ·cm，拉伸强度17MPa，挺度为279mN(角度15°，长度10mm)。
实施例5
将20g绝干Lyocell纤维(长度为5mm、纤度为5dtex)加入去离子水至200g，置于PFI机中打浆处理，打浆转数为9000r，打浆度为43°SR，经脱水、干燥(干燥温度100℃)后，制得机械处理后的Lyocell纤维。
采用乙醇和丙酮混合物(体积比1:1)对碳纤维(长度为6mm、直径为5μm)进行索氏提取，处理时间为48h，再用混合酸(68wt％硝酸与98wt％的硫酸体积比1:1)对碳纤维进行液相氧化，温度为60℃，时间为1h，然后将液相氧化处理所得产物经碳酸氢钠溶液洗涤、干燥(干燥温度为105℃)后，得到改性碳纤维。
将所述机械处理后的Lyocell纤维和改性碳纤维按照绝干质量比2:8进行混合，并加入去离子水，用疏解机疏解处理后，得到混合浆料，混合浆料中机械处理后的Lyocell纤维和改性碳纤维的总浓度为0.05wt％，采用斜网湿法成形工艺，依次脱水、压榨和干燥，得到碳纤维纸原纸。
将碳纤维纸原纸浸渍在浓度为15％的酚醛树脂乙醇溶液，浸渍时间长为1h，取出后干燥，在150℃、10MPa条件下用平板硫化机进行热压固化0.5h，制得制得碳纤维/树脂复合体；
在50kPa压力的条件下对碳纤维/树脂复合体依次进行碳化和石墨化处理，碳化的温度为1300℃，碳化的时间为1h；石墨化处理的温度为2600℃，石墨化处理的时间为0.5h，制得碳纤维纸。
实施例5制得的碳纤维纸的性能参数为：厚度为202μm，气体透过率为2060mL·mm/(cm2·hr·mmAg)，孔隙率为80％，平行向电阻率为22mΩ·cm，垂直向电阻率126mΩ·cm，拉伸强度21MPa，挺度为337mN(角度15°，长度10mm)。
对比例1
与实施例1不同之处在于：不对Lyocell纤维进行打浆处理，导致碳纤维的分散性变差，制得的碳纤维纸匀度较差，不具有检测价值。
对比例2
与实施例1不同之处在于：Lyocell纤维浆料和改性碳纤维按照绝干质量比0.5:9.5，制得的碳纤维纸匀度较差，不同试样的测试指标结果差异较大，不具有检测价值。
对比例3
与实施例1的不同之处在于：Lyocell纤维浆料和改性碳纤维按照绝干质量比5:5，所制得碳纤维纸的性能参数为：厚度为219μm，气体透过率为1690ml·mm/(cm2·hr·mmAg)，孔隙率为73％，平行向电阻率为26mΩ·cm，垂直向电阻率135mΩ·cm，拉伸强度16MPa，挺度为213mN(角度15°，长度10mm)。
对比例4
与实施例1的不同之处在于：碳化的温度为1000℃，石墨化处理的温度为2300℃，所制得碳纤维纸的性能参数为：厚度为203μm，气体透过率为1680ml·mm/(cm2·hr·mmAg)，孔隙率为73％，平行向电阻率为55mΩ·cm，垂直向电阻率269mΩ·cm，拉伸强度20MPa，挺度为341mN(角度15°，长度10mm)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将人造纤维和水混合，进行机械处理，得到机械处理后的人造纤维；所述人造纤维包括粘胶纤维和/或Lyocell纤维；
利用乙醇和丙酮的混合物对碳纤维进行脱胶处理，采用混合酸对脱胶后的碳纤维进行液相氧化，得到改性碳纤维；
将所述机械处理后的人造纤维、所述改性碳纤维和水混合，进行疏解处理，所得混合浆料进行湿法成形，得到碳纤维纸原纸；
将所述碳纤维纸原纸浸渍于树脂溶液，取出后依次进行干燥和热压固化，得到碳纤维/树脂复合体；
对所述碳纤维/树脂复合体依次进行碳化和石墨化处理，得到所述碳纤维纸。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述人造纤维的长度为1～5mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合酸为硝酸和硫酸的混合液。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述液相氧化的温度为40～70℃，时间为0.5～3h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维的长度为1～9mm，直径为4～8μm；所述混合浆料中机械处理后的人造纤维和改性碳纤维的总浓度为0.02～0.5wt％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述树脂溶液包括酚醛树脂的乙醇溶液；所述树脂溶液中树脂的浓度为5～40wt％，所述浸渍的时间为0.5～3h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热压固化的温度为120～250℃，压力为2～30MPa，时间为10～60min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳化的温度为1200～1600℃，压力为1～100kPa，保温保压时间为0.2～2h；
所述石墨化处理的温度为2400～3200℃，压力为1～100kPa，保温保压时间为0.2～1h。
9.权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到的碳纤维纸，其特征在于，所述碳纤维纸的气体透过率为1400～2230ml·mm/(cm2·hr·mmAg)；平行向电阻率为10～22mΩ·cm，垂直向电阻率80～126mΩ·cm；拉伸强度为17～23MPa。
10.权利要求1～8任一项制备方法制备得到的碳纤维纸或权利要求9所述的碳纤维纸作为燃料电池气体扩散层的应用。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1884689A (zh) * 2006-07-05 2006-12-27 浙江省普瑞科技有限公司 一种质子交换膜燃料电池用的多孔碳纤维纸及其制备方法
CN107460777A (zh) * 2017-07-31 2017-12-12 华南理工大学 一种全碳纤维复合纸的制备方法
JP2018016751A (ja) * 2016-07-29 2018-02-01 三菱製紙株式会社 炭素繊維シートの製造方法
CN109478654A (zh) * 2016-07-22 2019-03-15 三菱化学株式会社 多孔基材、多孔电极、碳纤维纸、碳纤维纸的制造方法、多孔基材的制造方法
CN111154144A (zh) * 2020-02-14 2020-05-15 台州学院 一种氧化石墨烯增强碳纤维材料的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1884689A (zh) * 2006-07-05 2006-12-27 浙江省普瑞科技有限公司 一种质子交换膜燃料电池用的多孔碳纤维纸及其制备方法
CN109478654A (zh) * 2016-07-22 2019-03-15 三菱化学株式会社 多孔基材、多孔电极、碳纤维纸、碳纤维纸的制造方法、多孔基材的制造方法
JP2018016751A (ja) * 2016-07-29 2018-02-01 三菱製紙株式会社 炭素繊維シートの製造方法
CN107460777A (zh) * 2017-07-31 2017-12-12 华南理工大学 一种全碳纤维复合纸的制备方法
CN111154144A (zh) * 2020-02-14 2020-05-15 台州学院 一种氧化石墨烯增强碳纤维材料的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周遵宁: "《光电对抗材料基础》", 北京理工大学出版社, pages: 220 - 221 *
胡志军;: "碳纤维的表面处理与成纸导电性能", no. 12, pages 228 - 229 *

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