CN1344039A - 离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是离子交换膜燃料电池电极扩散层要求的碳纤维复合纸及其制备方法,复合纸由2－10%纤维素浆为基体、80－95%二次活化处理碳纤维和0－10%碳粉组成,制备包括:a.碳纤维或碳粉进行化学活化处理,b.再经过物理活化处理,c.碳纤维长丝切短;d.在分散剂水溶液中分散;e.制得纸浆;f.将碳纤维分散液和浆液按比例混合,加入亲水或疏水表面活性剂,按常规湿法制出复合纸。本发明制成的碳纸,有良好的导电性和透气性,大的比表面积和合理的孔隙度,碳纸两面亲水疏水性能不同,具有定向排水输气功能,克服了目前离子交换膜燃料电池电极扩散层所用的碳纸比表面积较小,碳纸两面亲水疏水性能相同和碳纸柔软性差等不足。

Description

离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸及其制备方法
本发明属于燃料电池电极材料及其制备技术领域，具体是离子交换膜燃料电池电极扩散层要求的碳纤维复合纸及其制备方法。
离子交换膜燃料电池作为一种直接将化学能转换为电能的装置，以其高效率、低污染、启动时间短等优点使它成为新一代的发电技术并将进入商业化的实用阶段。由于离子交换膜燃料电池的电极反应主要是在气-液-固三相界面上进行，因此它的核心问题就是提高气态燃料和氧化剂在电极过程中的反应活性和燃料电池的寿命，反应活性和电池寿命是由结构材料决定的。所以电极材料的选择以及电极制备方法对电池性能有十分重要的影响。通常离子交换膜燃料电池的电极由扩散层和催化层组成，电极扩散层主要是由经处理的碳布或碳纸构成，它起支撑电极扩散层和收集电流的作用，同时还具有为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道的作用，其性质主要取决于所选择的碳材料。
目前国内外用于燃料电池扩散层的碳纤维制品主要是复合碳纸材料。以往技术制作的碳纸孔隙结构不够合理，比表面积不够大且柔韧性差，同时两面亲水疏水性能相同，无定向排水输气功能，影响离子交换膜燃料电池电极的电化学性能。
本发明的目的在于提供一种有良好的导电性和透气性、比表面积大、具有柔软性，两面亲水疏水性不同的离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸及其制备方法。
本发明的技术方案是：复合纸由2-10％纤维素浆为基体、80-95％碳纤维和0-10％碳粉组成，其中碳纤维和碳粉经二次活化处理。
本发明提供的其他技术方案是：碳纤维可以是聚丙烯晴碳纤维、沥青基碳纤维、胶束基碳纤维、活性碳纤维、石墨纤维、气相生长碳纤维之一或其混合碳纤维材料。
碳粉为乙炔黑、石墨乳或活性炭。
基体材料可选木浆、麻浆、棉浆或化学纤维浆。
碳纤维长度为3-25mm；碳纤维的电阻率为0.001-40μΩm；碳纤维的炭化温度为500-2500℃。
碳纤维纸由一层或多层构成。
本发明提供一种离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸的制备方法，依次包括下列步骤：
a.将选择的碳纤维或碳粉进行化学活化处理(一次活化处理)，活化剂可选择碱、盐和酸，如氢氧化钠、氢氧化钾、氯化锌、磷酸，活化完毕用蒸馏水将活化剂洗除；
b.将一次活化后的碳纤维或碳粉再经物理活化处理(二次活化处理)，活化过程中选择三氯化铁作催化剂，活化完毕用蒸馏水将催化剂洗除；
c.将过活化后的碳纤维长丝切短或磨碎；
d.配制0.1％的分散剂水溶液，然后使活化后的碳纤维或碳粉在分散剂水溶液中分散；
e.将纤维素浆分散，制得叩解度为18-25°的纸浆；
f.将碳纤维分散液和浆液按2∶1-4∶1比例混合，加入碳纤维分散液1-5％的碳粉分散液和碳纤维分散液1％的亲水或疏水表面活性剂，放入搅拌机混合搅拌，既可得到造纸混合浆料；
g.按常规湿法造纸技术将造纸混合浆料制出所需的碳纤维复合纸。
本发明还提供如下方法：步骤a一次活化化学处理化学活化剂用量为碳纤维或碳粉重量的10％-50％；化学活化温度为700-900℃；化学活化时间为0.5-1h；化学活化气氛为氮气氛。
步骤b物理法处理物理法处理温度为700-900℃；时间为0.5-1h；气氛为水蒸气气氛。
步骤c的碳纤维长丝切短或磨碎在1-25mm范围内，以3-15mm为较佳选择。
步骤d的碳纤维或碳粉在分散剂水溶液中的浓度为1-6wt％。
本发明制成的燃料电池扩散层复合碳纸，既有良好的导电性，又有很好的透气性、大的比表面积和合理的孔隙度且制成的复合碳纸两面亲水疏水性能不同，具有定向排水输气功能，同时还具有柔软性。它克服了目前离子交换膜燃料电池电极扩散层所用的碳纸比表面积较小，碳纸两面亲水疏水性能相同和碳纸柔软性差，不能弯曲等不足。
本发明提供的离子交换膜燃料电池电极扩散层是经过二次活化或经过电化学处理后的活性碳纤维和碳粉为导电相，以天然或人工合成纤维素浆粕为基体，加入适量的分散剂和造孔剂等其他助剂，两次沉浆制成。
本发明复合纸由2-10％纤维素浆为基体重量、80-95％碳纤维和0-10％碳粉重量组成，其中碳纤维和碳粉经二次活化处理，碳纤维占基体重量60-90％为优选含量范围。
碳纤维可以是聚丙烯睛碳纤维、沥青基碳纤维、胶束基碳纤维、活性碳纤维、石墨纤维、气相生长碳纤维之一或其混合碳纤维材料，而以沥青基碳纤维作导电相效果更好。所述的碳粉为乙炔黑、石墨乳或活性炭，碳粉含量控制在占纸重的1-30％，比表面积大于700m2/g。
基体材料可选造纸上常用的纤维素浆，如木浆、棉浆、麻浆、化学纤维等，碳纤维长度为1-25mm，以3-15mm为较佳选择；碳纤维的电阻率为0.001-40μΩm；碳纤维的炭化温度为500-2500℃。
本发明提供一种离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸的制备方法，依次包括下列步骤：
a.将选择的碳纤维或碳粉进行一次活化处理(既化学活化处理)，活化剂可选择碱、盐和酸，如氢氧化钠、氢氧化钾、氯化锌、磷酸，一次活化化学处理的化学活化剂用量为碳纤维或碳粉重量的10％-50％；化学活化温度为700-900℃；化学活化时间为0.5-1h；化学活化气氛为氮气氛，活化完毕用蒸馏水将活化剂洗除。
b.将一次活化后的碳纤维或碳粉再经过二次活化处理(既物理活化处理)，二次活化过程中选择三氯化铁作催化剂，处理温度为700-900℃；时间为0.5-1h；气氛为水蒸气气氛，活化完毕用蒸馏水将催化剂洗除。
c.将碳纤维长丝短切或磨碎成为长度为3-25mm。碳纤维过长，在打浆捞制过程中容易絮结成团，在纸浆中不能均匀分散，制成的复合纸不均匀，进而影响燃料电池电极的电化学性能；碳纤维过短，与木浆交织强度较差，复合纸的强度低。如果碳纤维长度小于1mm，则碳纤维成为纸浆空隙中的填料不起作用。
d.将短切或磨碎后的碳纤维放入打浆机并加入分散剂进行分散搅拌。分散剂可选择聚氧乙烯类、胺化环氧类、聚丙烯酰胺类和脂肪醇醚类分散剂。其中分散剂加入量为纸重的0.1-1％，碳纤维或碳粉在分散剂水溶液中的浓度为1-6wt％。
e.将选择的基体材料，如木浆、棉浆和化学纤维等，在适宜的打浆工艺条件下进行机械分散，制得叩解度为18-25°的纸浆；
f.将碳纤维分散液和浆液按2∶1-4∶1比例混合，加入碳纤维分散液1-5％的碳粉分散液和碳纤维分散液1％的亲水或疏水表面活性剂，放入搅拌机混合搅拌，既可得到造纸混合浆料；
g.按常规湿法造纸技术将造纸混合浆料制出所需的碳纤维复合纸。
化学活化法处理实施例之一：将碳纤维或碳粉与其重量20％的氢氧化钠混合后在900℃氮气氛中恒温处理0.5h，然后用蒸馏水将碳纤维或碳粉中的氢氧化钠洗除。
化学活化法处理实施例之二：将碳纤维或碳粉与其重量30％的氢氧化钾混合后在800℃氮气氛中恒温处理0.5h，然后用蒸馏水将碳纤维或碳粉中的氢氧化钾洗除。
物理法活化处理实施例之一：将碳纤维或碳粉与其重量20％的三氯化铁混合后在900℃水蒸气气氛中恒温处理0.5h，然后用蒸馏水将碳纤维或碳粉中的三氯化铁洗除。
物理法活化处理实施例之二：将碳纤维或碳粉与其重量20％的三氯化铁混合后在800℃水蒸气气氛中恒温处理0.5h，然后用蒸馏水将碳纤维或碳粉中的三氯化铁洗除。
本发明制成品具有以下特点：
1.吸附性能好，比表面大，有较好的电化学性能，适宜作燃料电池电极的扩散层；
2.加入经过二次活化的碳粉，能改善复合纸的微空结构，有较好的孔隙度和透气性；
3.碳纤维预处理并长丝短切或磨碎，制备的碳纤维复合纸有较好的强度和柔韧性；
4.在机械分散后的浆液中先后加入亲油、亲水性不同的分散剂或助剂，经过两次沉浆，抄纸制得的碳纤维复合纸两面具有不同的亲疏水性能，因此具有定向排水输气功能。
5.所用设备简单，操作方便，易于工业化生产。
将本发明制备的碳纸扩散层和目前通用的碳纸扩散层(德国SGL公司生产)组装成离子膜燃料电池进行了对比测试，结果表明本发明制备的碳纸扩散层组装的离子膜燃料电池性能更加优越。
附图为本发明制备的碳纸(a)和SGL公司生产的碳纸(b)实验结果比较图。

Claims (10)

1.一种离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸，其特征在于，复合纸由2-10％纤维素浆为基体、80-95％碳纤维和0-10％碳粉组成，其中碳纤维和碳粉经二次活化处理。
2.根据权利要求1所述的离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸，其特征在于所述的碳纤维可以是聚丙烯晴碳纤维、沥青基碳纤维、胶束基碳纤维、活性碳纤维、石墨纤维、气相生长碳纤维之一或其混合碳纤维材料。
3.根据权利要求1所述的离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸，其特征在于所述的碳粉为乙炔黑、石墨乳或活性炭，基体材料可选木浆、麻浆、棉浆或化学纤维浆。
4.根据权利要求1或2所述的离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸，其特征在于所述的碳纤维长度为3-25mm；碳纤维的电阻率为0.001-40μΩm；碳纤维的炭化温度为500-2500℃。
5.根据权利要求1所述的离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸，其特征在于所述的碳纤维纸由一层或多层构成。
6.一种离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸的制备方法，依次包括下列步骤：
a.将选择的碳纤维或碳粉进行化学活化处理，活化剂可选择碱、盐和酸，如氢氧化钠、氢氧化钾、氯化锌、磷酸，活化完毕用蒸馏水将活化剂洗除；
b.将一次活化后的碳纤维或碳粉再经过物理活化处理，二次活化过程中选择三氯化铁作催化剂，活化完毕用蒸馏水将催化剂洗除；
c.将过活化后的碳纤维长丝切短或磨碎；
d.配制0.1％的分散剂水溶液，然后使活化后的碳纤维或碳粉在分散剂水溶液中分散；
e.将纤维素浆分散，制得叩解度为18-25°的纸浆；
f.将碳纤维分散液和浆液按2∶1-4∶1比例混合，加入碳纤维分散液1-5％的碳粉分散液和碳纤维分散液1％的亲水或疏水表面活性剂，放入搅拌机混合搅拌，既可得到造纸混合浆料；
g.按常规湿法造纸技术将造纸混合浆料制出所需的碳纤维复合纸。
7.根据权利要求6所述的离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于：步骤a一次活化化学处理化学活化剂用量为碳纤维或碳粉重量的10％-50％；化学活化温度为700-900℃；化学活化时间为0.5-1h；化学活化气氛为氮气氛。
8.根据权利要求6所述的离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于：步骤b物理法处理物理法处理温度为700-900℃；时间为0.5-1b；气氛为水蒸气气氛。
9.根据权利要求6所述的离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于：步骤c的碳纤维长丝切短或磨碎在1-25mm范围内，以3-15mm为较佳选择。
10.根据权利要求6所述的离子交换膜燃料电池电极扩散层碳纤维复合纸的制备方法，其特征在于：步骤d的碳纤维或碳粉在分散剂水溶液中的浓度为1-6wt％。
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