专利名称：燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池电极多孔扩散层材料领域，具体为一种燃料电池电极多孔扩散层制造用基础材料碳纤维纸的制备工艺。
背景技术：
气体扩散层材料在电极中起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还为电极反应提供燃料气体通道、电子通道和排水通道，不同的扩散层材料对于电极的结构、制造工艺和性能的影响也各不相同，碳纤维纸(碳纸)、碳布、非织造布及碳黑纸等是常用的几种电极材料。目前，气体扩散层有使用碳纤维纸(碳纸)，也有使用碳布材料的。它们不仅有均 匀的多孔质薄层结构，导电性好，化学稳定性和耐热性好、且表面平整可减少电池内部接触电阻。现有国内外用于电极扩散层的碳纸主要是复合碳纸材料，它由碳纤维、木浆、纤维素纤维或聚乙烯酸短纤维等可碳化纤维相混合，制成纸浆，然后制成碳纸。这种工艺制得碳纸，由于其为了保证碳纸的强度，在其中加入了较多的非导电性材料，其碳纤维含量均低于90%。因此，造成电阻率较大，孔隙率及其结构不够合理。燃料电池使用的碳纤维纸需要具有以下性能(I)均匀的多孔质结构，优异的透气性；(2)低的电阻率，赋予其高的电子传导能力；(3)结构紧密且表面平整，以减小接触电阻，提高层性能；(4)具有一定的机械强度，利于电极制作；(5)具有化学稳定性和热稳定性。目前，国内外燃料电池的生产制造技术较多。但是，能够生产碳纤维纸的国家只有个别先进的国家，而我国内没有一家能够实现小批量生产，有的也只是处于试验生产阶段。燃料电池电极多孔扩散层材料的国产化，将打破发达国家对我国燃料电池关键材料的封锁，为我国燃料电池的发展起到重要的促进作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺，碳纤维纸可以在普通抄纸机生产线上实现批量生产，且满足制造燃料电池多孔扩散层电极的需要。本发明的技术方案是一种燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺，包括如下步骤( I)短切碳纤维的表面处理将短切碳纤维在丙酮、乙醇和水的混合液浸泡2-3小时，按重量比计，丙酮乙醇水=1:1:20，然后捞出淋干液体；将短切碳纤维倒入容器，并加入占短切碳纤维总重量O. 1-0. 3%的分散剂，进行1000-3000转/分钟的高速分离搅拌，时间O. 5-2小时；(2)导电碳黑的表面处理将导电碳黑在浓度为5wt%的乙醇水溶液中浸泡3-4小时后，与乙醇水溶液一同导入磨浆池；(3)将原木浆放入碎浆机中，原木浆与水比例为5-15%，将原木浆打碎放入磨浆池；(4)将处理过的导电碳黑与原木浆按重量比I: (1-2)，加入步骤(2)和步骤(3)所得原料到磨浆池中，并加入总重量1/3的短切碳纤维；然后，进行第一次浆内施胶，加入
占短切碳纤维总重量O. 2-0. 4%的阳离子淀粉，开动磨浆设备满负荷电流磨浆1-2小时，当叩解度达30-40° SR时，并且观察看不到短切碳纤维后，将磨浆机放开，电流减少一半，倒入所剩短切碳纤维总重量的一半，并加入所加短切碳纤维重量I倍的水，继续磨浆1-2小时后，将磨浆机完全放开，将电流放至最小，将所剩短切碳纤维全部倒入磨浆机，并加入所倒短切碳纤维I倍的水，进行第二次施胶，加入占短切碳纤维总重量O. 1-0. 3%的阳离子淀粉；(5)继续磨浆20-40分钟后，全部放入成浆池，并添加放入成浆池中物质总重量4-6倍的水，开动搅拌器，加入助留剂，助留剂占加水后总重量的1_3%，搅拌均匀后得成浆，以备造纸机抄纸；(6)造纸机带水运行，将造纸机中的毛毡润湿，待造纸机的烘缸达到80_90°C时，将造纸机调到所需的转速1000-3000转/分钟；这时，将成浆打到一个高位箱，并将水打到另一高位箱，打开两个高位箱阀门，同时在混浆箱中按重量比1:1. 5-2的浆与水混合后，放入造纸机的网箱，并开始抄纸烘干、成卷，得到碳纤维纸。所述的燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺，按重量比计，导电碳黑短切碳纤维原木浆=I (7-8) : (1-2)。所述的燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺，按所述导电碳黑、短切碳纤维、原木浆的重量比，步骤(4)中加入步骤(I)带有分散剂的短切碳纤维。所述的燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺，碳纤维纸为80-100克/m2的碳纤维纸,其孔隙率为20-30%，导电方阻为3-10 Ω/c m2。所述的燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺，步骤(4)中，最小电流为 8-10A。本发明的有益效果是I、本发明生产的碳纤维纸可以达到多孔扩撒层材料制造要求，可以在电极中起到支撑催化剂层和稳定电极结构的作用均匀，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道等功能，具有多孔的结构，优异的造气性，低电阻率，高导电率，具有一定的机械强度、化学稳定性和热稳定性。2、本发明在生产碳纤维纸前，将短切碳纤维与导电碳黑分别用处理液进行表面处理，表面处理的作用是使短切碳纤维与导电碳黑软化，并去掉表面在碳化时所留的杂质，有利于在分散剂作用下更好的分散抄出的纸更加均匀。
具体实施例方式本发明中，燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺如下( I)短切碳纤维的表面处理将短切碳纤维在丙酮、乙醇和水的混合液浸泡2-3小时，按重量比计，丙酮乙醇水=1:1:20，然后捞出淋干液体即可；将短切碳纤维倒入容器，并加入占短切碳纤维总重量O. 1-0. 3%的分散剂，进行1000-3000转/分钟的高速分离搅拌，时间O. 5-2小时；(2)导电碳黑的表面处理将导电碳黑在浓度为5wt%的乙醇水溶液中浸泡3-4小时后，与乙醇水溶液一同导 入磨浆池；(3)将原木浆放入碎浆机中，原木浆与水比例为5-15%，将原木浆打碎放入磨浆池；(4)将处理过的导电碳黑与原木浆按重量比I: (1-2)，加入步骤(2)和步骤(3)所得原料到磨浆池中，并加入总重量1/3的短切碳纤维(按重量比例，导电碳黑短切碳纤维原木浆=1: (7-8) : (1-2)，加入步骤(I)带有分散剂的短切碳纤维);然后，进行第一次浆内施胶，加入占短切碳纤维总重量O. 2-0. 4%的阳离子淀粉，开动磨浆设备满负荷电流(电机的额定电流50-300A)磨浆1-2小时，当叩解度(打浆度)达30-40(° SR)时，并且观察看不到短切碳纤维后，将磨浆机放开，电流减少一半，倒入所剩短切碳纤维总重量的一半，并加入所加短切碳纤维重量I倍的水，继续磨浆1-2小时后，将磨浆机完全放开，将电流放至最小(8-10A)，将所剩短切碳纤维全部倒入磨浆机，并加入所倒短切碳纤维I倍的水，进行第二次施胶，加入占短切碳纤维总重量O. 1-0. 3%的阳离子淀粉；本发明中，磨浆设备从满负荷电流到电注减少一半，再到最小值8-10A，这样做的好处是不同的电流下，磨浆池可以将短切碳纤维剪切成不同的长度，在短切碳纤维具有一定长度、并且短切碳纤维长短不一的情况下，可以确保其孔隙率达和透气率达到要求。(5)继续磨浆20-40分钟后，全部放入成浆池，并添加放入成浆池中物质总重量4-6倍的水，开动搅拌器，加入助留剂，助留剂占加水后总重量的1_3%，搅拌均匀后得成浆，以备造纸机抄纸；(6)造纸机带水运行，将造纸机中的毛毡润湿，待造纸机的烘缸达到80_90°C时，将造纸机调到所需的转速1000-3000转/分钟；这时，将成浆打到一个高位箱，并将水打到另一高位箱，打开两个高位箱阀门，同时在混浆箱中按重量比1:1. 5-2的浆与水混合后，放入造纸机的网箱，并开始抄纸烘干、成卷，即可得到80-100克/m2的碳纤维纸，其孔隙率为20-30%，导电方阻为3_10Q/C m2。本发明选用高导电率、高模量、高强度的短切碳纤维(如日本东邦、东丽、台湾东丽等，国内兰化、吉化等厂家生产)，其主要技术指标长度为4-6mm，纤维直径5-10μπι，电阻率1. O-L 6 Ω cm，拉伸模量200-300GPa，拉伸强度2000-4000MPa。导电碳黑作为一种功能性高导电填料，主要应用于导电及防静电涂料、塑料、橡胶、粘合剂、油墨、电池材料、电缆屏蔽材料等，广泛应用于电子、机电、通讯、印刷、航空航天、兵器等各个工业部门的导电、电磁屏蔽、防静电领域。本发明采用常规导电碳黑，如:天津市金大地炭黑厂生产，其导电炭黑系列主要有⑶I、⑶2、⑶3、⑶4、⑶5或⑶6等。
本发明分散剂选用常规的聚乙烯醇、聚丙酸胺、甲基纤维素、羧甲基纤维素钠或羟乙基纤维素等。如选用山东潍坊瑞光化工有限公司生产的WSP-5分散剂，分散剂为无色至微黄色透明液体，具有一定螯合能力，广泛应用于印染、造纸以及洗涤剂和清洗剂。本发明采用常规造纸设备生产，该设备主要为碎浆机、磨浆机、储浆池、成浆池、若干水池(水为循环使用既节约又环保)以及普通圆网抄纸机。本发明 施胶采用常规的阳离子淀粉，如山东省兖州市天成化工有限公司生产的AKD型阳离子淀粉。本发明助留剂采用常规的造纸助留剂，如佛山南海骏能造纸材料厂生产的JNC型助留剂、法国爱森造纸助留剂、德固赛造纸助留剂或美国亚什兰造纸助留剂等。实施例I按重量份数计，原木浆10份，短切碳纤维80份，导电碳黑10份。本实施例中，燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺如下 (I)短切碳纤维的表面处理将短切碳纤维在丙酮、乙醇和水的混合液浸泡2. 5小时，按重量比计，丙酮乙醇水=1:1:20，然后捞出淋干液体即可；将短切碳纤维倒入容器，并加入占短切碳纤维总重量O. 2%的分散剂(甲基纤维素)，进行2000转/分钟的高速分离搅拌，时间I小时；(2)导电碳黑的表面处理将导电碳黑在浓度为5wt%的乙醇水溶液中浸泡3. 5小时后，与乙醇水溶液一同导入磨浆池；(3)将原木浆放入碎浆机中，原木浆与水比例为10%，将原木浆打碎放入磨浆池；(4)将处理过的导电碳黑与原木浆按重量比1:1，加入步骤(2)和步骤(3)所得原料到磨浆池中，并加入总重量1/3的短切碳纤维(按重量比例，导电碳黑短切碳纤维原木浆=1:8:1，加入步骤(I)带有分散剂的短切碳纤维)；然后，进行第一次浆内施胶，加入占短切碳纤维总重量O. 3%的阳离子淀粉，开动磨浆设备满负荷电流(电机的额定电流100A)磨浆I. 5小时，当叩解度(打浆度)达35 (° SR)时，并且观察看不到短切碳纤维后，将磨浆机放开，电流减少一半，倒入所剩短切碳纤维总重量的一半，并加入所加短切碳纤维重量I倍的水，继续磨浆I. 5小时后，将磨浆机完全放开，将电流放至最小(8-10A)，将所剩短切碳纤维全部倒入磨浆机，并加入所倒短切碳纤维I倍的水，进行第二次施胶，加入占短切碳纤维总重量O. 2%的阳离子淀粉；(5)继续磨浆30分钟后，全部放入成浆池，并添加放入成浆池中物质总重量5倍的水，开动搅拌器，加入造纸助留剂(如法国爱森造纸助留剂)，助留剂占加水后总重量的2%，搅拌均匀后得成浆，以备造纸机抄纸；(6)造纸机带水运行，将造纸机中的毛毡润湿，待造纸机的烘缸达到85°C时，将造纸机调到所需的转速2000转/分钟；这时，将成浆打到一个高位箱，并将水打到另一高位箱，打开两个高位箱阀门，同时在混浆箱中按重量比1:1.8的浆与水混合后，放入造纸机的网箱，并开始抄纸烘干、成卷，即可得到80-100克/m2的碳纤维纸，其孔隙率为20-30%。抄制80g/m2的碳纤维纸,碳纤维纸的导电方阻为5 Ω /c m2 ;抄制100g/m2的碳纤维纸，碳纤维纸的导电方阻为3 Ω/c m2。实施例2按重量份数计，原木浆15份，短切碳纤维75份，导电碳黑10份。本实施例中，燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺如下( I)短切碳纤维的表面处理将短切碳纤维在丙酮、乙醇和水的混合液浸泡2小时，按重量比计，丙酮乙醇水=1:1:20，然后捞出淋干液体即可；将短切碳纤维倒入容器，并加入占短切碳纤维总重量O. 1%的分散剂(羧甲基纤维素钠)，进行1000转/分钟的高速分离搅拌，时间O. 5小时；(2)导电碳黑的表面处理将导电碳黑在浓度为5wt%的乙醇水溶液中浸泡3小时后，与乙醇水溶液一同导入磨浆池；(3)将原木浆放入碎浆机中，原木浆与水比例为5%，将原木浆打碎放入磨浆池；(4)将处理过的导电碳黑与原木浆按重量比I: I. 5，加入步骤(2)和步骤(3)所得原料到磨浆池中，并加入总重量1/3的短切碳纤维(按重量比例，导电碳黑短切碳纤维原木浆=1:7. 5:1. 5，加入步骤(I)带有分散剂的短切碳纤维)；然后，进行第一次浆内施胶，加入占短切碳纤维总重量O. 2%的阳离子淀粉，开动磨浆设备满负荷电流(电机的额定电流80A)磨浆I小时，当叩解度(打浆度)达30(° SR)时，并且观察看不到短切碳纤维后，将磨浆机放开，电流减少一半，倒入所剩短切碳纤维总重量的一半，并加入所加短切碳纤维重量I倍的水，继续磨浆I小时后，将磨浆机完全放开，将电流放至最小(8-10A)，将所剩短切碳纤维全部倒入磨浆机，并加入所倒短切碳纤维I倍的水，进行第二次施胶，加入占短切碳纤维总重量O. 1%的阳离子淀粉；(5)继续磨浆20分钟后，全部放入成浆池，并添加放入成浆池中物质总重量4倍的水，开动搅拌器，加入造纸助留剂(德固赛造纸助留剂)，助留剂占加水后总重量的I %，搅拌均匀后得成浆，以备造纸机抄纸；(6)造纸机带水运行，将造纸机中的毛毡润湿，待造纸机的烘缸达到80°C时，将造纸机调到所需的转速1000转/分钟；这时，将成浆打到一个高位箱，并将水打到另一高位箱，打开两个高位箱阀门，同时在混浆箱中按重量比1:1.5的浆与水混合后，放入造纸机的网箱，并开始抄纸烘干、成卷，即可得到80-100克/m2的碳纤维纸，其孔隙率为20-30%。抄制80g/m2的碳纤维纸,碳纤维纸的导电方阻为8 Ω /c Hl2 ;抄制100g/m2的碳纤维纸，碳纤维纸的导电方阻为3 Ω/c m2。实施例3按重量份数计，原木浆20份，短切碳纤维70份，导电碳黑10份。本实施例中，燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺如下( I)短切碳纤维的表面处理将短切碳纤维在丙酮、乙醇和水的混合液浸泡3小时，按重量比计，丙酮乙醇水=1:1:20，然后捞出淋干液体即可；将短切碳纤维倒入容器，并加入占短切碳纤维总重量O. 3%的分散剂(羟乙基纤维素)，进行3000转/分钟的高速分离搅拌，时间2小时；(2)导电碳黑的表面处理将导电碳黑在浓度为5wt%的乙醇水溶液中浸泡4小时后，与乙醇水溶液一同导入磨浆池；(3)将原木浆放入碎浆机中，原木浆与水比例为15%，将原木浆打碎放入磨浆池；(4)将处理过的导电碳黑与原木浆按重量比1:2，加入步骤(2)和步骤(3)所得原料到磨浆池中，并加入总重量1/3的短切碳纤维(按重量比例，导电碳黑短切碳纤维原木浆=1:7:2，加入步骤(I)带有分散剂的短切碳纤维)；然后，进行第一次浆内施胶，加入占短切碳纤维总重量O. 4%的阳离子淀粉，开动磨浆设备满负荷电流(电机的额定电流120A)磨浆2小时，当叩解度(打浆度)达40 (° SR)时，并且观察看不到短切碳纤维后，将磨浆机放开，电流减少一半，倒入所剩短切碳纤维总重量的一半，并加入所加短切碳纤维重量I倍的水，继续磨浆2小时后，将磨浆机完全放开，将电流放至最小(8-10A)，将所剩短切碳纤维全 部倒入磨浆机，并加入所倒短切碳纤维I倍的水，进行第二次施胶，加入占短切碳纤维总重量O. 3%的阳尚子淀粉；(5)继续磨浆40分钟后，全部放入成浆池，并添加放入成浆池中物质总重量6倍的水，开动搅拌器，加入造纸助留剂(美国亚什兰造纸助留剂)，助留剂占加水后总重量的3%，搅拌均匀后得成浆，以备造纸机抄纸；(6)造纸机带水运行，将造纸机中的毛毡润湿，待造纸机的烘缸达到90°C时，将造纸机调到所需的转速3000转/分钟；这时，将成浆打到一个高位箱，并将水打到另一高位箱，打开两个高位箱阀门，同时在混浆箱中按重量比1:2的浆与水混合后，放入造纸机的网箱，并开始抄纸烘干、成卷，即可得到80-100克/m2的碳纤维纸，其孔隙率为20-30%。抄制80g/m2的碳纤维纸,碳纤维纸的导电方阻为ΙΟΩ/c Hl2 ;抄制100g/m2的碳纤维纸，碳纤维纸的导电方阻为3Q/c m2。
权利要求
1.一种燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤 (1)短切碳纤维的表面处理 将短切碳纤维在丙酮、乙醇和水的混合液浸泡2-3小时，按重量比计，丙酮乙醇水=1:1:20，然后捞出淋干液体； 将短切碳纤维倒入容器，并加入占短切碳纤维总重量O. 1-0. 3%的分散剂，进行1000-3000转/分钟的高速分离搅拌，时间O. 5-2小时； (2)导电碳黑的表面处理 将导电碳黑在浓度为5wt%的乙醇水溶液中浸泡3-4小时后，与乙醇水溶液一同导入磨浆池； (3)将原木浆放入碎浆机中，原木浆与水比例为5-15%，将原木浆打碎放入磨浆池； (4)将处理过的导电碳黑与原木浆按重量比I:(1-2)，加入步骤(2)和步骤(3)所得原料到磨浆池中，并加入总重量1/3的短切碳纤维；然后，进行第一次浆内施胶，加入占短切碳纤维总重量O. 2-0. 4%的阳离子淀粉，开动磨浆设备满负荷电流磨浆1-2小时，当叩解度达30-40° SR时，并且观察看不到短切碳纤维后，将磨浆机放开，电流减少一半，倒入所剩短切碳纤维总重量的一半，并加入所加短切碳纤维重量I倍的水，继续磨浆1-2小时后，将磨浆机完全放开，将电流放至最小，将所剩短切碳纤维全部倒入磨浆机，并加入所倒短切碳纤维I倍的水，进行第二次施胶，加入占短切碳纤维总重量O. 1-0. 3%的阳离子淀粉； (5)继续磨浆20-40分钟后，全部放入成浆池，并添加放入成浆池中物质总重量4-6倍的水，开动搅拌器，加入助留剂，助留剂占加水后总重量的1_3%，搅拌均匀后得成浆，以备造纸机抄纸； (6)造纸机带水运行，将造纸机中的毛毡润湿，待造纸机的烘缸达到80-90°C时，将造纸机调到所需的转速1000-3000转/分钟； 这时，将成浆打到一个高位箱，并将水打到另一高位箱，打开两个高位箱阀门，同时在混浆箱中按重量比1:1. 5-2的浆与水混合后，放入造纸机的网箱，并开始抄纸烘干、成卷，得到碳纤维纸。
2.按照权利要求I所述的燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺，其特征在于，按重量比计，导电碳黑短切碳纤维原木浆=I (7-8) : (1-2)。
3.按照权利要求2所述的燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺，其特征在于，按所述导电碳黑、短切碳纤维、原木浆的重量比，步骤(4)中加入步骤(I)带有分散剂的短切碳纤维。
4.按照权利要求I所述的燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺，其特征在于，碳纤维纸为80-100克/m2的碳纤维纸，其孔隙率为20-30%，导电方阻为3-00 Ω/c m2。
5.按照权利要求I所述的燃料电池电极多孔扩散层材料碳纤维纸的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中，最小电流为8-10A。
全文摘要
本发明涉及燃料电池电极多孔扩散层材料领域，具体为一种燃料电池电极多孔扩散层制造用基础材料碳纤维纸的制备工艺，碳纤维纸可以在普通抄纸机生产线上实现批量生产，且满足制造燃料电池多孔扩散层电极的需要。该工艺包括(1)短切碳纤维的表面处理；(2)导电碳黑的表面处理；(3)原木浆与水比例为5-15%，将原木浆打碎放入磨浆池等步骤。本发明生产的碳纤维纸可以达到多孔扩撒层材料制造要求，可以在电极中起到支撑催化剂层和稳定电极结构的作用均匀，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道等功能，具有多孔的结构，优异的造气性，低电阻率，高导电率，具有一定的机械强度、化学稳定性和热稳定性。
文档编号D21D1/20GK102936867SQ20121045729
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者石伟 申请人:沈阳华天鑫碳纤维电热制品有限公司