[發(fā)明專利]用于質子交換膜燃料電池氣體擴散層的碳纖維紙的制備

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910053648.4
• 申請日: 2009-06-23
• 公開（公告）號: CN101591868A
• 公開（公告）日: 2009-12-02
• 發(fā)明（設計）人: 王彪;段瓊娟;王炯;王華平
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: D21H19/72
• 分類號: D21H19/72;D21H13/50;D21H19/10;D21H19/84;D21H23/50;D21H25/06;D21B1/02;D21B1/04;D21C3/22;D21H21/08;D21H21/06;D21H19/24;H01M4/88
• 代理公司: 上海泰能知識產(chǎn)權代理事務所
• 代理人: 黃志達;謝文凱

技術領域

本發(fā)明屬碳纖維紙的制備領域，特別是涉及一種用于質子交換膜燃料電池氣體擴散層的碳纖維紙的制備。

背景技術

燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內燃機的動力裝置。國際能源界預測，燃料電池是21世紀最有吸引力的發(fā)電方法之一。在各種燃料電池中，質子交換膜燃料電池以其比能量高，體積輕巧，操作溫度低，工作壽命長等優(yōu)勢成為新一代燃料電池。

質子交換膜燃料電池膜電極是一種多孔的氣體擴散電極，一般由氣體擴散層和催化劑層組成。這種高性能的氣體擴散層必須滿足以下幾個要求：(1)高的電導率，利于燃料電池電化學反應中電子的傳導；(2)較高的孔隙率和適宜的孔徑分布，賦予其優(yōu)異的透氣性能；(3)結構緊密且表面平整，以減小其與催化劑層的接觸電阻；(4)具有適當?shù)膭傂耘c柔性，利于電池的組裝，保證長期操作條件下電極結構的穩(wěn)定性。(5)具有化學穩(wěn)定性，材料與結構在質子交換膜燃料電池工作條件下保持穩(wěn)定，不產(chǎn)生腐蝕與降解；(6)熱的良導體，能夠及時把燃料電池產(chǎn)生的熱排出；(7)適當?shù)挠H水/疏水平衡，一定的疏水性能避免燃料電池電極發(fā)生水淹現(xiàn)象，而一定的親水性能夠避免相對濕度比較低時電解質膜脫水。(8)制造成本低，高的性價比。

碳纖維紙具有的均勻多孔薄層結構賦予其良好的孔隙率和透氣性，且主要原料為碳纖維，具備了優(yōu)異的導電性，熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。近年來，碳纖維紙作為氣體擴散層材料用于質子交換膜燃料電池成為其發(fā)展的一個重要方向，被列入“863”計劃。

美國專利US3829327介紹了碳纖維紙的制備方法，也就是目前商業(yè)化碳纖維紙的基本制造過程。目前的碳纖維紙通常以PAN基碳纖維為原料，加入分散劑和粘結劑通過濕法造紙，然后浸漬樹脂熱壓成型，然后在惰性氣體氣氛中，經(jīng)過2000℃以上的高溫處理得到。PAN基碳纖維價格昂貴，加上2000℃以上的高溫處理，無疑造成了碳纖維紙的生產(chǎn)成本過高，不能適應長期發(fā)展的成本要求。中國專利CN1998100是通用汽車公司申請的，公布了一種用于PEM燃料電池的低成本氣體擴散介質的制造方法，該方法與上述美國專利大致一樣，其低成本的特征在于，碳纖維紙的熱處理溫度為碳化溫度(900℃～1400℃)，而非石墨化溫度。眾所周知，石墨化度越高，碳材料導電阻率越低，上述專利涉及到的碳纖維紙未經(jīng)過石墨化溫度處理，必將導致碳纖維紙導電性能的降低。上海依極科技有限公司申請了中國專利CN1417879，提供一種用于燃料電池電極氣體擴散層的碳纖維紙材料。該發(fā)明的碳纖維紙材料，以短碳纖維為造紙漿液原料，其特征在于，該短碳纖維的長度分布于0.5毫米至5.0毫米之間，其平均長度在1.0毫米至3.0毫米之間，其含量占重量百分比96％至99％。由于在碳纖維紙材料中包含了不同長短的短高碳纖維，這些不同長短的短纖維相互重疊纏合，形成優(yōu)良的導電體系，又具有分布均勻的孔隙，保證了氣體的均勻擴散，克服了傳統(tǒng)電極氣體擴散層的碳紙電阻率、孔隙率以及均勻度等方面的缺點。但是，該方法中，碳纖維占原紙的96％以上，同樣不利于成本的降低。而且其濕法造紙之后，未經(jīng)過樹脂熱壓成型，碳紙的強度必然達不到在質子交換膜燃料電池中的強度要求。

傳統(tǒng)的碳纖維紙是將碳纖維直接造紙，由于高分子粘結劑的存在，其導電性能往往不夠理想，需要提高其熱處理溫度來提高導電性，這樣就造成了能源上的大量消耗。

中國專利CN1344039涉及了一種離子交換膜燃料電池電極擴散層要求的碳纖維復合紙及其制備方法，復合紙由2～10％纖維素漿為基體、80～95％二次活化處理碳纖維和0～10％碳粉組成，其制備過程與中國專利CN1417879相似，僅采用常規(guī)濕法造紙，強度必然太低。且在漿料中加入碳粉，在打漿過程中往往造成碳粉的流失，碳粉利用率太低。

碳粉的添加，提高了碳纖維紙的導電性，但是上述專利在漿料中加入碳粉，在造紙過程中，碳粉嚴重流失，真正殘留在碳纖維紙中的很少，能夠起到導電作用的碳粉就更少了。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種用于質子交換膜燃料電池氣體擴散層的碳纖維紙的制備，該制備方法簡單，成本低，適合于工業(yè)化生產(chǎn)；所得碳纖維紙具有良好導電性能、較高孔隙率、表面平整結構緊密并具有適當?shù)娜嵝院蛣傂浴?/p>

本發(fā)明的一種用于質子交換膜燃料電池氣體擴散層的碳纖維紙的制備，包括：

(1)對瀝青基碳纖維進行水處理，除去瀝青基碳纖維表面的雜質如油劑、金屬等，對PAN基預氧化纖維進行活化處理；

(2)將上述瀝青基碳纖維和PAN基預氧化纖維短切；將植物纖維短切；