CN1185736C - 用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料。传统的碳纸存在着导电性、孔隙率等方面的问题。本发明的碳纤维纸材料，以短碳纤维为造纸浆液原料，其特征在于，该短碳纤维的长度分布于0.5毫米至5.0毫米之间，其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间，其含量占重量百分比96%至99%。由于在本发明的碳纤维纸材料中包含了不同长短的短碳纤维，这些不同长短的短纤维相互重叠缠合，形成优良的导电体系，又具有分布均匀的孔隙，保证了气体的均匀扩散，克服了传统电极气体扩散层的碳纸电阻率、孔隙率以及均匀度等方面的缺点。本发明还提供一种制备上述碳纤维纸材料的方法。

Description

用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电极材料，尤其涉及一种适用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，还涉及该种碳纤维纸材料的制备方法。
背景技术
目前质子交换膜燃料电池用的电极大都采用多孔碳纸或碳布为扩散层电极材料，其作用是一方面提供反应气体、电子流以及多余水的排出通道，另一方面支持铂/碳催化剂网络。因此，这种碳纸或碳布的通透性和导电性对电极乃至电池的性能影响较大。现有国内外用于电极扩散层的碳纸主要是复合碳纸材料，它由碳纤维、木浆、纤维素纤维或聚乙烯醇短纤维等可碳化纤维相混合，制成纸浆，然后制成碳纸。这种工艺制得的碳纸，由于其为了保证碳纸的强度，在其中加入了较多的非导电性材料，其碳纤维含量均低于90％，因此，造成电阻率较大，孔隙率及其结构不够合理。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种碳纤维含量高于90％的用于电极气体扩散层的碳纤维纸材料，这种材料具有良好的导电性，其电阻率低，孔隙分布均匀。
本发明的另一目的在于提供一种制备上述碳纤维纸材料的方法，利用这种方法制备的碳纤维纸材料具有良好的导电性，其电阻率低，孔隙分布均匀。
根据本发明的上述目的，本发明提供的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，以短(切)碳纤维为造纸浆液原料，其特征在于，该短碳纤维的长度分布于0.5毫米至5.0毫米之间，其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间，其含量占重量百分比96％至99％。
根据本发明的一个方面，在所述碳纤维纸材料中，所述碳纤维的电阻率为0.001至0.02Ω·cm。
根据本发明的另一个方面，在所述碳纤维纸材料中，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维之一或其组合。
根据本发明的再一个方面，在所述碳纤维纸材料中，所述碳纤维纸的面积重量为50至150g/m2。
本发明还提供一种制备上述碳纤维纸材料的方法，包括下列步骤：
A.准备碳纤维；
B.将所述碳纤维切短，该切短后的短碳纤维的长度在0.5毫米至5.0毫米之间，其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间；
C.选用小于1％的分散剂把所述短碳纤维分散于水相中，形成浆液原料，其中所述碳纤维的含量在96％至99％的重量百分比之间；
D.利用湿法造纸成型法制得碳纤维纸材料。
根据本发明的一个方面，所述碳纤维的电阻率为0.001至0.02Ω·cm。
根据本发明的另一个方面，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维之一或其组合。
根据本发明的再一个方面所述碳纤维纸的面积重量为50至150g/m2。
如上所述，由于在本发明的碳纤维纸材料中包含了不同长短的短碳纤维，这些不同长短的短纤维相互重叠缠合，形成优良的导电体系，又具有分布均匀的孔隙，保证了气体的均匀扩散，克服了传统电极气体扩散层的碳纸电阻率、孔隙率以及均匀度等方面的缺点。
下面，将通过具体实施例，来详细描述本发明。
具体实施方式
作为燃料电池电极扩散层材料的碳纤维纸，其主要物理指标就是电阻率及孔隙率。电阻率低，孔隙率大且均匀，就能使燃料气体均匀分散通过，电池组件的内阻也就会降低，从而提高电流密度。影响碳纤维纸材料的电阻率及孔隙率指标有许多因素，如，选用的碳纤维本身的电阻率，碳纤维的长度及其分布情况，碳纤维的种类、碳纤维的表面情况以及结合特性，面积重量及厚度等等。经发明人长期研究，其中，碳纤维的含量、碳纤维的长度及其分布是主要因素。
因此，针对上述的研究结果，本发明认为，传统的碳纸一般采用相同长度的短纤维，因此，在制备碳纸时必须加入有机纤维，以便提高制得的碳纸的强度。而有机纤维的加入必然会影响碳纸的电阻率，使电阻率提高，同时，也会造成碳纸的孔隙率减小，分布不均匀。
根据本发明的上述构思，本发明提供的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，除了选用碳纤维之外，还对该纤维进行了处理，即将碳纤维进行短切，使其长度分布于0.5毫米至5.0毫米之间，同时控制其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间。由于选用了不同长度的碳纤维，这些不同长短的短纤维相互重叠缠合，能保证制得的碳纤维纸的强度，因而不需要如传统的制备方法一样，必须加入有机纤维，可以提高碳纤维在碳纤维纸中的含量(在本发明中可以达到96％至99％重量百分比)，形成优良的导电体系，又具有分布均匀的孔隙，保证了气体的均匀扩散。
下面是制备本发明的碳纤维纸材料的工艺步骤：
首先，选择碳纤维长丝；在本发明中，对于碳纤维的要求是具有良好的导电性，因此，较佳地，要求其电阻率在0.001至0.02Ω·cm。符合这一要求的碳纤维包括聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维。在选用时，可以选择使用其中一种纤维，也可以将两种碳纤维混合选用。
其次，对碳纤维长丝进行短切处理，即，将纤维长丝切成短纤维，并使其长度分布于0.5毫米至5.0毫米之间，同时控制其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间；
然后，把切短后的碳纤维送入到含有分散剂的水相中，使碳纤维均匀分散。分散剂可选用聚乙烯醇、聚丙酰胺等，其加入量小于1％，碳纤维的含量控制在95％至99％重量百分比之间，其中最佳值在98％至99％；
最后，将在上一步制得的造纸浆液，按湿法造纸成型法制得碳纤维纸材料。有关湿法造纸成型法是传统的方法，因此，在此不再对其具体描述。
需要补充说明的是，在上述制备过程中，也可以对碳纤维纸材料的面积重量进行控制，一般将其控制在50至150g/m2。但应当理解，这一控制并非是本发明所必须的，在本发明中，也完全可以采用传统的面积重量。
在如上所述的本发明的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料及其制备方法中，由于利用了碳纤维长短组合的技术，因此，在制备过程中不需要加入影响导电性的有机纤维，从而可以大大提高碳纤维纸中的碳纤维的含量，可达到96％至99％(而传统的碳纸中，含量一般都小于90％)，提高碳纤维纸的导电性。
下面，是本发明的几个具体实例。
实例1：
选用聚丙烯腈基碳纤维，经空气氧化前处理几秒至几分钟后，放入切断机中进行切短，使其长度分布在0.5毫米至5.0毫米之间，其具体分布数据如下：
1毫米长占49％；2毫米长占32％；3毫米长占14％；5毫米长占5％。其平均长度为1.8毫米。
然后放入含有0.5％分散剂的水相中，搅拌均匀，得到造纸浆液。其中分散剂选用聚乙烯醇。
最后，利用传统的湿法造纸成型法制得碳纤维纸材料，干燥后压制得到碳纤维纸材料。本实例中制得的碳纤维纸材料的一些性能指标如下：
面积重量为98g/m2；厚度为0.25毫米；孔隙率为80％；密度为0.5g/cm3；电阻率为0.060Ω·cm。
实例2：
选用聚丙烯腈基碳纤维，经空气氧化前处理几秒至几分钟后，放入切断机中进行切短，使其长度分布在0.5毫米至5.0毫米之间，其具体分布数据如下：
1毫米长占1％；2毫米长占54％；3毫米长占29％；5毫米长占6％。其平均长度为2.36毫米。
然后放入含有0.5％分散剂的水相中，搅拌均匀，得到造纸浆液。其中分散剂选用聚乙烯醇。
最后，利用传统的湿法造纸成型法制得碳纤维纸材料，干燥后压制得到碳纤维纸材料。本实例中制得的碳纤维纸材料的一些性能指标如下：
面积重量为100g/m2；厚度为0.25毫米；孔隙率为78％；密度为0.48g/cm3；电阻率为0.065Ω·cm。

Claims (8)

1、一种用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，以短碳纤维为造纸浆液原料，其特征在于，该短碳纤维的长度分布于0.5毫米至5.0毫米之间，其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间，其含量占重量百分比96％至99％。
2、如权利要求1所述的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，其特征在于，所述碳纤维的电阻率为0.001至0.02Ω·cm。
3、如权利要求1或2所述的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，其特征在于，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维之一或其组合。
4、如权利要求1或2所述的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，其特征在于，所述碳纤维纸的面积重量为50至150g/m2。
5、一种制备如权利要求1所述的碳纤维纸材料的方法，包括下列步骤：
A.准备碳纤维；
B.将所述碳纤维切短，该切短后的短碳纤维的长度在0.5毫米至5.0毫米之间，其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间；
C.选用小于1％的分散剂把所述短碳纤维分散于水相中，形成浆液原料，其中所述碳纤维的含量在96％至99％的重量百分比之间；
D.利用湿法造纸成型法制得碳纤维纸材料。
6.如权利要求5所述的碳纤维纸材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维的电阻率为0.001至0.02Ω·cm。
7.如权利要求5或6所述的碳纤维纸材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维之一或其组合。
8.如权利要求5或6所述的碳纤维纸材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维纸的面积重量为50至150g/m2。
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