[發明專利]一種導電高分子薄膜改性的炭纖維紙及其制備方法

有效

• 申請號: 201710368844.5
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107012739B
• 公開（公告）日: 2019-04-23
• 發明（設計）人: 謝志勇;劉艷;王攀;楊飄飄;伍小波;孫敏
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: D21H27/00
• 分類號: D21H27/00;C25D9/02;C25D5/54
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

本發明涉及一種導電高分子薄膜改性的超薄炭纖維紙及其制備方法，屬于燃料電池擴散層技術領域。采用電化學沉積的方法在高通量無改性超薄炭纖維紙內部沉積導電高分子薄膜，制得導電高分子薄膜改性超薄炭纖維紙。在所制的導電高分子薄膜改性超薄炭纖維紙中，導電高分子薄膜包覆在炭纖維、基體炭?炭纖維節點上，在炭紙內部形成厚度均勻的薄膜網絡。本發明的制備方法簡單，所制備的導電高分子薄膜能顯著提高超薄炭紙的力學性能，并使超薄炭紙具備較高的氣透率。

技術領域

本發明涉及一種導電高分子薄膜改性的炭纖維紙及其制備方法，屬于燃料電池擴散層技術領域。

背景技術

炭纖維紙是一種以樹脂炭、瀝青炭等為基體，炭纖維為增強體的多孔C/C復合材料，用作燃料電池的氣體擴散基體材料。炭纖維紙主要的性能為：力學性能、透氣性能和導電性能。炭纖維紙的性能主要有以下幾個影響因素：1)基體炭，由于基體炭是炭纖維紙的基體，也是“焊接”炭纖維的粘結劑，故而其含量、分布和性能直接影響的炭纖維紙的性能。2)炭纖維，炭纖維的含量、長度和分布均勻性均對炭纖維紙性能有影響。3)炭纖維與基體炭間的界面結合狀況，炭纖維的強度(例如：Toray,Japan,T-300,拉伸強度：3530MPa)明顯強于樹脂炭(拉伸強度大約為：42MPa)，故兩者的結合界面的協和作用對炭紙的性能有很大影響。其中以基體炭對炭纖維紙性能的影響最大。當基體炭含量較少時，炭纖維紙的透氣性能較好，由于基體炭的力學性能較差，故炭纖維紙的力學性能較差，并且，由于基體炭含量少，炭纖維間的“焊接”較少，使得炭纖維紙的導電性也較差。通過增加基體炭的含量可提高炭紙的力學性能和導電性能，但當基體炭含量較大時，過多的基體炭會堵塞炭纖維紙的孔隙，使得炭纖維紙的透氣性能急劇下降。故而需選擇適當的基體炭含量來平衡各性能。然而，隨著燃料電池在汽車領域的應用，要求燃料電池具備較高的功率密度，故而需對炭纖維紙進行減薄，并使炭纖維紙需兼具高透氣性能與良好的力學性能。通過傳統工藝增加基體炭含量的方法，已無法滿足上述要求。

目前已有一些通過高分子強化炭纖維紙的技術，如Hyunuk Kim等在論文【Fabrication of carbon paper containing PEDOT:PSSfor use as a gas diffusionlayer in proton exchangemembrane fuel cells】中公開一種通過用聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)替代基體炭直接涂覆炭纖維坯體上來提高炭紙的力學性能的方法，但由于涂覆不均勻，且PEDOT-PSS的固有導電性較炭材料差(10-2S·cm)，致使炭紙導電性和透氣性均較差，所制備的燃料電池性能也較差，所制備炭纖維紙不具備實用性。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有炭纖維紙在減薄后力學性能和透氣性能較差的問題，提供的一種導電有機物薄膜增強炭紙及其制備工藝。本發明在傳統工藝制備的高通量炭紙中原位制備導電高分子薄膜，并使導電高分子薄膜包覆在炭纖維紙中的炭纖維、基體炭-炭纖維節點上，在炭紙內部形成厚度均勻的薄膜網絡，有效提高炭纖維紙的力學性能，使所獲得的導電高分子薄膜改性炭纖維紙具有較高的透氣性。

本發明一種導電高分子薄膜改性炭纖維紙，所述炭纖維紙為超薄炭纖維紙，所述超薄炭纖維紙厚度為0.05-0.15mm，所述導電高分子薄膜包覆在炭纖維紙的炭纖維、基體炭-炭纖維節點上，并在炭紙內部形成厚度均勻的薄膜網絡；所述薄膜網絡的厚度為0.1-3μm。

本發明所述超薄炭纖維紙為高通量無改性超薄炭纖維紙；所述高通量無改性超薄炭纖維紙是通采用常規制備方法制備的。

本發明一種導電高分子薄膜改性炭纖維紙，包覆在炭纖維紙的炭纖維、基體炭-炭纖維節點上的導電高分子薄膜的厚度為0.1-3μm。

本發明一種導電高分子薄膜改性炭纖維紙，所述導電高分子為聚噻吩。

本發明一種導電高分子薄膜改性超薄炭纖維紙的制備方法，采用電化學沉積的方法在高通量無改性超薄炭纖維紙上原位沉積導電高分子薄膜；