一种燃料电池气体扩散层碳纸及其制备方法

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种燃料电池气体扩散层碳纸及其制备方法。

背景技术：

1、氢能目前在低碳领域中被认为是一种最有发展前景的清洁能源,质子交换膜燃料电池作为最重要的氢能转化装置之一，已受到国内外研究人员的广泛关注。由于质子交换膜燃料电池具备操作温度低、使用寿命长、操作简单、起动效率高等特性，被人们看作是各种静止和移动使用设备的理想能源，如汽车、分散式火力发电厂和移动装置等。

2、气体扩散层作为质子交换膜燃料电池的核心部件之一，不仅能够支撑催化剂层，而且还具备固定电极结构的功能，此外还为燃料电池运作时提供了气体通道、排水管道、离子通道和电流传输通道。由于碳纸具有均匀的孔隙结构，良好的导电性能和优异的耐热耐腐蚀性能，所以碳纸常作为质子交换膜燃料电池气体扩散层基底材料。

3、碳纸的主要制备工艺为碳纤维湿法成形、浸渍树脂、热压固化、碳化和石墨化，碳纤维由于其表面缺失活性基团，湿法成形后纤维之间难以产生化学键的结合，故难以制备具有良好强度的碳纸。因此需要加入胶黏剂提升纸页的强度，目前添加胶黏剂的方法多采用酚醛树脂浸渍法。酚醛树脂的使用会导致大量有机溶剂的挥发，对生态环境造成不利，且浸渍的方法会导致酚醛树脂的上胶量难以调控，胶黏剂在碳纸上分布不匀。

4、授权公告号cn114457620b、授权公告日2023.03.21的中国专利以碳纤维配制一定量气相生长碳纤维、铜粉为主要原料，水溶性聚乙烯醇纤维为增强纤维，先经搅拌机高速搅拌，然后低速搅拌并添加分散剂将上述原料均匀分散于水中，采用湿法造纸工艺抄造成基纸，再经酚醛树脂浸渍、热压及碳化、石墨化处理制成质子交换膜燃料电池用碳纸。然而，该碳纸制备工艺复杂，并且制备酚醛树脂浸渍液时需使用大量有机溶剂(无水乙醇)，而有机溶剂挥发对环境危害大，且酚醛树脂浸渍法上胶量较小，碳纸的抗张强度较差。

5、授权公告号cn114457620b、授权公告日2023.03.21的中国专利将由纤维状粘合剂、水、分散剂和长径比不同的碳纤维等组成的碳纤维悬浮液进行抄纸和干燥得到碳纤维原纸，然后碳化和石墨化处理，得到质子交换膜燃料电池用气体扩散层碳纸；纤维状粘合剂是由酚醛树脂与其他树脂组成的复合纤维或共混纤维，减少了原纸浸润树脂的步骤，减少后续微孔层的涂敷制备。然而该发明中的纤维状粘合剂是通过干法纺丝或湿法纺丝后制备得到再加入浆料中，工艺过于复杂，能耗大，成本高。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题：针对目前燃料电池气体扩散层用碳纸制备工艺复杂以及大量有机溶剂的使用对环境污染严重等问题，提出了一种燃料电池气体扩散层碳纸及其制备方法。

2、本发明提供了一种燃料电池气体扩散层碳纸制备方法，包含以下步骤：

3、(1)将碳纤维加入水中，配置成质量浓度为0.05％-0.5％的碳纤维浆料；

4、加入相对于碳纤维质量0.05％-0.8％的分散剂，混合均匀；

5、加入相对于碳纤维质量100％-600％的阴离子型胶乳，再次混合均匀后得到碳纤维/胶乳悬浮液；

6、(2)将碳纤维/胶乳悬浮液搅拌，与此同时缓慢加入阳离子剂，得到吸附了胶黏剂的碳纤维悬浮液；

7、将该悬浮液于高速分散机中疏解，然后，于抄纸机中抄造成形，压榨，干燥，得到碳纸原纸；

8、经过热压和碳化得到燃料电池气体扩散层碳纸。

9、优选地，步骤(1)所述的分散剂为聚氧化乙烯或聚丙烯酰胺。

10、优选地，步骤(1)所述的胶乳为丁腈胶乳、苯丙胶乳或酚醛树脂胶乳。

11、优选地，步骤(2)所述的阳离子剂可为硫酸铝、聚二甲基二烯丙基氯化铵或聚乙烯亚胺。

12、优选地，步骤(2)所述的干燥温度为80-120℃，干燥时间为15-60min。

13、优选地，步骤(2)所述的热压处理温度为150-210℃，压力为2.5-10mpa，时间为20-120min。

14、优选地，步骤(2)所述的碳化条件在氮气气氛下，碳化温度为800-1600℃，碳化时间为30-90min。

15、本发明同时提供一种如上述方法制备的燃料电池气体扩散层碳纸，其定量为40-200g/m2。

16、本发明的有益效果：

17、(1)本发明所用的胶黏剂为阴离子型胶乳，通过在浆内缓慢加入阳离子剂形成絮聚体将碳纤维有效结合在一起，去除了后续树脂浸渍工序，简化了碳纸制备工艺流程，避免了有机溶剂的使用，减小了环境污染。

18、(2)本发明通过胶黏剂在碳纤维表面均匀吸附，使胶黏剂与碳纤维形成稳定的三维网络结构，提高了碳纸的韧性，增大了碳纸的透气性，改善了碳纸孔隙的均匀性。

技术特征：

1.一种燃料电池气体扩散层碳纸制备方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层碳纸制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的分散剂为聚氧化乙烯或聚丙烯酰胺。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层碳纸制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的胶乳为丁腈胶乳、苯丙胶乳或酚醛树脂胶乳。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层碳纸制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的阳离子剂可为硫酸铝、聚二甲基二烯丙基氯化铵或聚乙烯亚胺。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层碳纸制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的干燥温度为80-120℃，干燥时间为15-60min。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层碳纸制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的热压处理温度为150-210℃，压力为2.5-10mpa，时间为20-120min。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池气体扩散层碳纸制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的碳化条件在氮气气氛下，碳化温度为800-1600℃，碳化时间为30-90min。

8.一种燃料电池气体扩散层碳纸，采用权利要求1至7中任一项所述的制备方法得到，其定量为40-200g/m2。

技术总结本发明涉及一种燃料电池气体扩散层碳纸及其制备方法。本发明将碳纤维加入水中，加入阴离子型胶乳和阳离子剂混合疏解，最后经抄造、压榨、干燥、热压和碳化，制得燃料电池气体扩散层碳纸。该制备方法通过在浆内添加阴离子型胶乳和阳离子剂，两者产生电中和反应形成絮聚体，使碳纤维在抄纸过程中通过絮聚体的桥联作用得到有效结合，最终制备出的碳纸具有优异的透气性、良好的强度以及电阻率等，且整个制备过程简单，生产工艺对环境友好。技术研发人员：夏新兴,叶瑾,黄善聪,苏蜜蜜受保护的技术使用者：浙江理工大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29