[發明專利]碳纖維紙及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010627370.3
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN113882186B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 陳輝;沈志剛;李磊;王賀團
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司上海石油化工研究院
• 主分類號: D21H13/50
• 分類號: D21H13/50;D21F11/00
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 劉亭亭;劉依云

本發明涉及膜電極技術領域，公開了一種碳纖維紙及其制備方法和應用，該碳纖維紙的碳含量≥95％重量％，孔隙率為80?90％，透氣率為5×10⁴?8×10⁴mL·mm/(cm²·h·mmHg)。制備碳纖維紙的方法包括以下步驟：(1)將含有短切碳纖維、短切多孔碳纖維、分散劑、粘合劑和溶劑的混合物經過濕法造紙得到碳纖維紙前驅體；(2)采用酚醛樹脂溶液對所述碳纖維紙前驅體進行浸漬，然后進行固化、碳化和石墨化。本發明的碳纖維紙具有較高的孔隙率、透氣率和導電性，且具有較高的抗拉強度，該碳纖維紙用于膜電極中可有效提高膜電極的電化學性能。

技術領域

本發明涉及膜電極技術領域，具體涉及一種碳纖維紙及其制備方法和應用。

背景技術

質子交換膜燃料電池(proton?exchange?membrane?fuel?cell，PEMFC)具有高功率密度、高能量轉換率、低溫啟動、無污染、體積輕巧等特點，可用作交通工具的動力系統、可移動小型供電系統和電子設備的不間斷電源與分散型電站，也可用作軍事、醫療、娛樂場所等的應急電源等。

構成PEMFC的關鍵部件為膜電極三合一組件MEA(Membrane?ElectrodeAssembly)，包括：質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層。氣體擴散層起著支撐催化劑層、穩定電極結構的作用，還為電極反應提供氣體通道、電子通道和排水通道。理想的氣體擴散層應當具有良好的水、氣傳質能力、較低的電阻和良好的機械性能。高性能碳纖維紙作為PEMFC氣體擴散層的基底層已經得到了廣泛的應用。

制備碳纖維紙的常規方法是由短切碳纖維分散粘結制備多孔的碳纖維原紙，再通過浸漬、碳化和石墨化工藝在纖維表面形成相互連接的碳基體，得到最終的碳纖維紙。在碳纖維的成紙過程中面臨一些難題需要解決，主要集中在短切碳纖維的分散和成紙強度兩個方面。較短的短切纖維利于分散均勻，但是成紙強度差，而較長的纖維正好相反。此外現有碳纖維紙的技術方案多是采用濕法造紙工藝，原料基本采用短切碳纖維，只能形成孔徑相對單一的大孔，孔隙大小單一，紙頁勻度差，且不利于水、氣的有效傳質以及后續微孔層的涂覆。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術存在的碳纖維紙孔隙率低、透氣率差、導電性和抗拉強度差的問題，提供一種碳纖維紙及其制備方法和應用，該方法制備得到的碳纖維紙具有較高的孔隙率、較好的透氣率、導電性和抗拉強度的優勢。

為了實現上述目的，本發明一方面提供一種碳纖維紙，該碳纖維紙的碳含量≥95％重量％，孔隙率為80-90％，透氣率為5×10⁴-8×10⁴mL·mm/(cm²·h·mmHg)。

本發明第二方面提供一種制備碳纖維紙的方法，該方法包括以下步驟：

(1)將含有短切碳纖維、短切多孔碳纖維、分散劑、粘合劑和溶劑的混合物經過濕法造紙得到碳纖維紙前驅體；

(2)采用酚醛樹脂溶液對所述碳纖維紙前驅體進行浸漬，然后進行固化、碳化和石墨化。

優選地，以短切碳纖維和短切多孔碳纖維的總量為基準，短切碳纖維的含量為60-97重量％，更優選為75-85重量％。

本發明第三方面提供了一種由第二方面所述的方法制備的碳纖維紙。

本發明第四方面提供一種由第一方面或第三方面所述的碳纖維紙在膜電極中的應用。

采用本發明的技術方案制得的碳纖維紙具有較高的孔隙率、透氣率和抗拉強度，其中透氣率可達到5.5×10⁴mL·mm/(cm²·h·mmHg)以上，抗拉強度可達到41MPa，而且面電阻較低(可達到7mΩ·cm以下)，導電性好，可很好的應用于膜電極中。

具體實施方式