一种燃料电池用碳纤维纸及其制备方法与流程
- 国知局
- 2024-12-26 16:02:40
本发明涉及燃料电池,具体而言,涉及一种燃料电池用碳纤维纸及其制备方法。
背景技术:
1、碳纤维纸常用作燃料电池气体扩散层的基底材料,其制备过程主要包括湿法抄纸、树脂浸渍、热压固化和石墨化等步骤。首先通过湿法抄纸获得碳纤维基材,对碳纤维基材进行湿法浸渍,浸渍液多采用酚醛树脂溶液,溶剂干燥后进行热压固化,线性树脂分子转变为体型结构,体密度增加、机械强度改善、尺寸稳定性增强;固化后的碳纸基材在惰性气体氛围保护下,进行碳化及石墨化处理(2000-3000℃),体型树脂受热分解,含碳量增加,孔隙结构完善,最终形成高导电碳纤维纸。
2、酚醛树脂碳化后属于玻璃碳,玻璃碳的导电性较石墨碳差,导致碳纤维纸整体的导电性差,玻璃碳在2600℃以上的高温条件下才会形成比较完善的石墨导电结构,导电性的提升是以能源成本的上升为代价的,并且石墨化温度的提升还会导致抗弯强度降低,脆性增大,加工使用过程中易发生损坏,目前的碳纤维纸难以兼顾机械强度和导电性能,且能耗高。
3、有鉴于此,特提出本发明。
技术实现思路
1、本发明的第一目的在于提供一种燃料电池用碳纤维纸,以解决现有技术中燃料电池用碳纤维纸难以兼顾机械强度和导电性的技术问题。通过在碳纤维外侧包裹酚醛树脂碳化后的玻璃碳,在玻璃碳外侧包裹石墨碳,形成玻璃碳-石墨碳核壳结构,得到的高导电碳纤维纸既具有较高的抗弯强度,又具有优异的导电性,能兼顾机械强度与导电性。
2、本发明的第二目的在于提供一种如上所述的燃料电池用碳纤维纸的制备方法,通过二次浸渍和碳化得到碳纤维-玻璃碳-石墨碳包覆结构,内层玻璃碳与外层石墨碳协同作用,在保持高弯曲强度的基础上大大提高了导电性能,并且石墨化温度显著降低,降低了能源消耗和生产成本。
3、为了实现本发明的上述目的,特采用以下技术方案:
4、一种燃料电池用碳纤维纸,包括碳纤维,所述碳纤维的外侧至少部分表面上包覆有玻璃碳层,所述玻璃碳层的外侧至少部分表面上包覆有石墨碳层。
5、优选地,所述玻璃碳层是由酚醛树脂在惰性气氛中碳化得到的。
6、优选地,所述石墨碳层是由聚酰亚胺和/或沥青在惰性气氛中碳化得到的。
7、一种如上所述的燃料电池用碳纤维纸的制备方法,包括以下步骤:
8、s1.将碳纤维基材置于酚醛树脂浸渍液中进行初次浸渍,浸渍后干燥,得到初次浸渍基材;
9、s2.将所述初次浸渍基材进行热压固化和碳化,得到碳化基材;
10、s3.将所述碳化基材置于二次浸渍液中进行二次浸渍,所述二次浸渍液中的石墨化碳前驱体包括聚酰亚胺和/或沥青,浸渍后干燥,得到二次浸渍基材;
11、s4.将所述二次浸渍基材进行热压固化,并在1500-2000℃下进行石墨化,即得所述燃料电池用碳纤维纸。
12、优选地,所述酚醛树脂浸渍液中酚醛树脂的浓度为2wt%-40wt%。
13、优选地,所述酚醛树脂浸渍液的溶剂包括甲醇和/或乙醇。
14、优选地,所述初次浸渍的时间为15-150s。
15、优选地,所述碳化在惰性气氛下进行,所述碳化的温度为800-1000℃,所述碳化的时间为10-30min。
16、优选地,所述二次浸渍液中,所述石墨化碳前驱体的浓度为0.5wt%-10wt%。
17、优选地,所述二次浸渍液中,所述石墨化碳前驱体为聚酰亚胺,所用溶剂包括n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮中的至少一种。
18、优选地,所述二次浸渍液中,所述石墨化碳前驱体为沥青,所用溶剂包括乙醇和/或甲苯。
19、优选地,所述二次浸渍的浸渍时间为15-150s。
20、优选地,所述二次浸渍液中还含有石墨成核剂,所述石墨成核剂包括石墨烯、纳米导电碳纤维、石墨微粉中的至少一种。
21、优选地,所述二次浸渍液中,所述石墨成核剂的含量为所述石墨化碳前驱体质量的0.5%-5%。
22、优选地,所述石墨化在惰性气氛下进行,所述石墨化的时间为10-40min。
23、与现有技术相比,本发明的有益效果为:
24、本发明通过初次浸渍、热压固化和碳化,在碳纤维基材中的碳纤维上包裹玻璃碳层,起机械支撑作用;再通过二次浸渍、热压固化和石墨化,形成了玻璃碳外层的石墨碳包裹结构,提高碳纤维纸的导电性能,使制备的碳纤维纸兼具机械强度高和导电性好的优势;制备工艺简单,在保持高抗弯强度和优异导电性的基础上,显著降低了石墨化温度,降低了能源消耗和生产成本。
技术特征:1.一种燃料电池用碳纤维纸,其特征在于,包括碳纤维,所述碳纤维的外侧至少部分表面上包覆有玻璃碳层,所述玻璃碳层的外侧至少部分表面上包覆有石墨碳层。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用碳纤维纸,其特征在于,所述玻璃碳层是由酚醛树脂在惰性气氛中碳化得到的。
3.根据权利要求1所述的燃料电池用碳纤维纸,其特征在于,所述石墨碳层是由聚酰亚胺和/或沥青在惰性气氛中碳化得到的。
4.如权利要求1-3任一项所述的燃料电池用碳纤维纸的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
5.根据权利要求4所述的燃料电池用碳纤维纸的制备方法,其特征在于,步骤s1中,包含以下特征中的至少一种:
6.根据权利要求4所述的燃料电池用碳纤维纸的制备方法,其特征在于,所述碳化在惰性气氛下进行,所述碳化的温度为800-1000℃,所述碳化的时间为10-30min。
7.根据权利要求4所述的燃料电池用碳纤维纸的制备方法,其特征在于,步骤s3中,包含以下特征中的至少一种:
8.根据权利要求4所述的燃料电池用碳纤维纸的制备方法,其特征在于,所述二次浸渍液中还含有石墨成核剂,所述石墨成核剂包括石墨烯、纳米导电碳纤维、石墨微粉中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的燃料电池用碳纤维纸的制备方法,其特征在于,所述二次浸渍液中,所述石墨成核剂的含量为所述石墨化碳前驱体质量的0.5%-5%。
10.根据权利要求4所述的燃料电池用碳纤维纸的制备方法,其特征在于,所述石墨化在惰性气氛下进行,所述石墨化的时间为10-40min。
技术总结本发明涉及燃料电池技术领域,具体而言,涉及一种燃料电池用碳纤维纸及其制备方法。所述燃料电池用碳纤维纸,包括碳纤维,碳纤维的外侧至少部分表面上包覆有玻璃碳层,玻璃碳层的外侧至少部分表面上包覆有石墨碳层。通过将碳纤维基材置于酚醛树脂浸渍液中进行初次浸渍、干燥、热压固化和碳化,得到碳化基材;再将碳化基材置于含有聚酰亚胺和/或沥青的二次浸渍液中进行二次浸渍、干燥、热压固化,并在1500‑2000℃下进行石墨化得到。本发明通过二次浸渍在碳纤维外侧依次浸渍硬碳和软碳,并通过碳化、石墨化形成玻璃碳‑石墨碳核壳结构,得到的碳纤维纸既具有较高的抗弯强度,又具有优异的导电性,并且能降低石墨化温度,降低能耗。技术研发人员:程立明,孙秀玉,张久俊,姚锦丽受保护的技术使用者:骊能新能源科技(北京)有限公司技术研发日:技术公布日:2024/12/12本文地址:https://www.jishuxx.com/zhuanli/20241216/347908.html
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