[發(fā)明專利]一種高碳含量燃料電池氣體擴散層用碳紙的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010759297.5
• 申請日: 2020-07-31
• 公開（公告）號: CN111900417B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設計）人: 韓文佳;景鑫;丁其軍;趙傳山;孔凡功;姜亦飛;李霞
• 申請（專利權(quán)）人: 齊魯工業(yè)大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88;H01M4/86;H01M8/0234;H01M8/1004
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 王磊

本發(fā)明公開了一種高碳含量燃料電池氣體擴散層用碳紙的制備方法，其制備方法為：將碳纖維紙浸入第一導電油墨中，先超聲處理，再負壓浸漬，然后干燥，使第一導電油墨中的溶質(zhì)與碳纖維紙復合獲得碳紙前驅(qū)體A；將碳紙前驅(qū)體A進行碳化獲得碳紙前驅(qū)體B；對碳紙前驅(qū)體B與第二導電油墨進行浸漬?固化?碳化處理獲得碳紙前驅(qū)體C，將碳紙前驅(qū)體C與第三導電油墨重復一次進行浸漬?固化?碳化處理獲得碳紙前驅(qū)體D；將碳紙前驅(qū)體D進行石墨化獲得碳紙。本發(fā)明制備的碳紙具備氣體擴散層的機械強度，氣體擴散性能、孔隙率高，且具有化學性能穩(wěn)定、電阻率低、電導率高的特點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高碳含量燃料電池氣體擴散層用碳紙的制備方法。

背景技術(shù)

公開該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

燃料電池發(fā)電是一種不經(jīng)過燃燒直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，利用氫氣、天然氣、甲醇等燃料與純氧或空氣作為原料分別在電池的陰極和陽極發(fā)生氧化還原反應，將化學能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換為電能，是一種不需要經(jīng)過卡諾循環(huán)的電化學發(fā)電裝置，能量轉(zhuǎn)化率高，環(huán)境友好，幾乎不排放氮與硫的氧化物，且二氧化碳的排放量也比常規(guī)發(fā)電廠少40％。燃料電池可分為：質(zhì)子交換膜燃料電池、甲醇燃料電池、固體氧化物燃料電池、堿燃料電池等。在各種燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC，Proton Exchange MembraneFuel Cell)因為具有高功率密度、高能量轉(zhuǎn)換效率、低溫啟動、無污染、體積輕巧等諸多優(yōu)點，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ碾娫粗弧?/p>

氣體擴散層是燃料電池的重要組件之一，氣體擴散層的主要作用是確保由反應生成的水的有效排出與氣體的擴散路徑。即，由碳纖維和經(jīng)碳化的樹脂粘合劑構(gòu)成的平面結(jié)構(gòu)體需要極高的氣體透過性和高的排水性。氣體擴散層是燃料電池的重要組成部分，電池的效率、電池內(nèi)阻與其息息相關(guān)，因此改善氣體擴散層性能是發(fā)展燃料電池的重要途徑。而其存在的主要問題是強度低、碳含量低、易斷裂、電阻高、氣體擴散性能和排水性能差。

為改善碳纖維紙的氣體擴散性，降低生產(chǎn)成本，中國專利CN110767926A通過將碳纖維紙浸入水溶性聚乙烯醇并提拉，提拉后進行干燥并放入真空濃縮器中，使溶劑蒸發(fā)得成品。制備的成品可提高燃料電池的傳導性能，但發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，由于沒有碳化、石墨化過程使得其電阻率較高、含碳量較低影響電池性能。中國專利CN110284334A也沒有碳化、石墨化工藝，將導電碳纖維和聚吡咯納米纖維制成導電無紡布后，經(jīng)防水涂料涂布處理，烘干后即得燃料電池碳紙。制作方法簡單易操作，成本低廉，制作效率和成品良率高，但發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，該方法也在著電阻率高的問題。

中國專利CN101613982A公布了一種燃料電池用碳纖維紙的制備方法。在用配置的酚醛樹脂乙醇溶液浸漬后，進行低溫碳化；碳化后再次進行浸漬、固化和碳化過程，制備了碳纖維紙，解決了孔隙率與電導率低的問題、但發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，該方法制備的碳纖維紙在電導率、碳含量與電阻率方面仍需改進。中國專利CN110129992A介紹了一種燃料電池用碳纖維紙的制備方法。先對碳纖維石墨化處理，然后通過干法造紙法制備碳紙預制件，抄造完成后進行碳化處理，并進行化學氣相沉積，沉積完成后進行提純和石墨化處理，最終制得碳纖維紙，使得制作過程更簡單且成本較低，但發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，該方法制備的碳纖維紙結(jié)構(gòu)緊密性較差、難實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的問題是：現(xiàn)有的碳纖維紙?zhí)己康汀㈦娮杪矢撸谧非笸笟舛鹊耐瑫r忽略了紙的力學強度。組裝成電池后，使得電池能量效率低，且無法有效排除多余的液體與氣體。本發(fā)明的目的是提供一種高碳含量燃料電池氣體擴散層用碳紙的制備方法，本發(fā)明制備的碳紙具備氣體擴散層的機械強度，氣體擴散性能、孔隙率高，且具有化學性能穩(wěn)定、電阻率低、電導率高的特點。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一方面，一種高碳含量燃料電池氣體擴散層用碳紙的制備方法，其步驟包括：