[發明專利]燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法

無效

• 申請號: 200810061896.9
• 申請日: 2008-05-23
• 公開（公告）號: CN101286565A
• 公開（公告）日: 2008-10-15
• 發明（設計）人: 黃志達
• 申請（專利權）人: 黃志達
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M4/88;D01F9/12;C01B31/02
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所
• 代理人: 吳秉中

技術領域

本發明屬于非織造布技術領域，具體涉及一種燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法。

背景技術

燃料電池用高性能碳纖維電極材料是質子交換膜燃料電池四大關鍵配套材料之一，用作質子交換膜燃料電池的氣體擴散層材料，在電極中起支撐催化劑層，穩定電極結構的作用，還具備為電極反應提供氣體通道、電子通道和排水通道等多種功能。目前國內使用的高性能碳纖維電極材料主要依靠進口，其價格昂貴，隨著近年來國內碳纖維生產技術發展，已有多家企業生產的碳纖維實現了商品化，由于各企業的碳纖維質量、規格不同，生產出來的高性能碳纖維電極材料質量無法與進口產品媲美?，F有技術中存在并需解決的主要技術問題如下：(1)解決碳纖維這種特種纖維原料的分散技術和增強技術問題，以抄造出材質均勻、強度優的基材；(2)為確?；倪_到要求的緊度和具有良好的表面平整度，須對熱壓工藝進行研究，解決樹脂遷移、厚薄均勻性及表面平整度問題；(3)探索合適的高溫碳化工藝，在確保高溫碳化后基材能達到極低電阻率的前提下，提高基材強度，解決基材易破碎的問題。

發明內容

針對現有技術中存在的上述問題，本發明目的在于設計提供一種燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法的技術方案，制得的產品結構緊密、表面平整、電阻率低、透氣度高、強度好。

燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法，其特征在于包括以下工藝步驟：

1)選用含碳量大于95％，長度3mm-6mm，纖維直徑為5μm-10μm的無膠聚丙烯腈基碳纖維為原料，按非織造工藝進行抄造，其中采用CMC作為碳纖維分散劑，用量為碳纖維的20-30％；以水溶性聚乙烯醇纖維作為增強粘結纖維，用量為碳纖維的14-20％；

2)經步驟1)抄造的半成品選用水溶性酚醛樹脂，采用浸漬方式進行樹脂涂布，并控制樹脂涂布量為原紙的45％-55％，然后在95℃-115℃溫度下干燥；

3)采用平板硫化機，在溫度175℃-195℃、壓力1.0Mpa-1.5Mpa條件下熱壓處理，熱壓時間為25-40秒；

4)在2100-2300℃溫度下進行高溫碳化處理，再經保溫和降溫處理。

所述的燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法，其特征在于步驟1)中分散劑用量為碳纖維的24-26％，增強粘結纖維用量為碳纖維的15-18％。

所述的燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法，其特征在于步驟2)中樹脂涂布量為原紙48％-52％。

所述的燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法，其特征在于步驟2)中的干燥溫度為100℃-110℃。

所述的燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法，其特征在于步驟3)中的熱壓溫度為180℃-190℃、壓力為1.2Mpa-1.4Mpa；熱壓時間為25-35秒。

所述的燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法，其特征在于步驟4)中的碳化溫度為2150-2250℃。

所述的燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法，其特征在于步驟4)的高溫碳化工藝中，1000℃以下時，在真空條件下的升溫速率為4-6℃/分鐘；1000℃以上時，在真空或惰性氣體保護條件下的升溫速率為10-15℃/分鐘；保溫時間為0.8-1.2小時；采用自然降溫的方式進行降溫。

所述的燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法，其特征在于步驟1)中的抄造面密度為38-42g/m²，相應的步驟(3)中采用雙層面密度為38-42g/m²進行復合熱壓。

所述的燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法，其特征在于步驟2)的水溶性酚醛樹脂中添加KH550交聯劑，添加量為水溶性酚醛樹脂的10-15％，優選為10％。

所述的燃料電池用高性能碳纖維電極材料的生產方法，其特征在于步驟1)中的抄造面密度為40g/m²，相應的步驟(3)中采用雙層面密度為40g/m²進行復合熱壓。

上述生產方法工藝簡單合理，原料易得，制得燃料電池用高性能碳纖維電極材料結構緊密、表面平整、電阻率低、透氣度高、強度好。滿足質子交換膜燃料電池的使用要求，為國內燃料電池的研發提供了一種專用的國產配套材料。產品各項技術指標如下(平均值)，厚度：0.229mm、緊度：0.36g/cm³、透氣度：283L/m².s、抗張強度：1.67kn/m、電阻率0.018Ω.cm。

具體實施方式