专利名称：用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电极材料，尤其涉及一种适用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，还涉及该种碳纤维纸材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种制备上述碳纤维纸材料的方法，利用这种方法制备的碳纤维纸材料具有良好的导电性，其电阻率低，孔隙分布均匀。
根据本发明的上述目的，本发明提供的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，以短(切)高碳纤维为造纸浆液原料，其特征在于，该短高碳纤维的长度分布于0.5毫米至5.0毫米之间，其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间，其含量占重量百分比96％至99％。
根据本发明的一个方面，在所述碳纤维纸材料中，所述高碳纤维的电阻率为0.001至0.02Ω.cm。
根据本发明的另一个方面，在所述碳纤维纸材料中，所述高碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维之一或其组合。
根据本发明的再一个方面，在所述碳纤维纸材料中，所述碳纤维纸的面积重量为50至150g/M2。
本发明还提供一种制备上述碳纤维纸材料的方法，包括下列步骤A.准备高碳纤维；B.将所述高碳纤维切短，该切短后的短高碳纤维的长度在0.5毫米至5.0毫米之间，其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间；C.选用小于1％的分散剂把所述短高碳纤维分散于水相中，形成浆液原料，其中所述高碳纤维的含量在96％至99％的重量百分比之间；D.利用湿法造纸成型法制得碳纤维纸材料。
根据本发明的一个方面，所述高碳纤维的电阻率为0.001至0.02Ω.cm。
根据本发明的另一个方面，所述高碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维之一或其组合。
根据本发明的再一个方面所述碳纤维纸的面积重量为50至150g/M2。
如上所述，由于在本发明的碳纤维纸材料中包含了不同长短的短高碳纤维，这些不同长短的短纤维相互重叠缠合，形成优良的导电体系，又具有分布均匀的孔隙，保证了气体的均匀扩散，克服了传统电极气体扩散层的碳纸电阻率、孔隙率以及均匀度等方面的缺点。
下面，将通过具体实施例，来详细描述本发明。
因此，针对上述的研究结果，本发明认为，传统的碳纸一般采用相同长度的短纤维，因此，在制备碳纸时必须加入有机纤维，以便提高制得的碳纸的强度。而有机纤维的加入必然会影响碳纸的电阻率，使电阻率提高，同时，也会造成碳纸的孔隙率减小，分布不均匀。
根据本发明的上述构思，本发明提供的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，除了选用高碳纤维之外，还对该纤维进行了处理，即将高碳纤维进行短切，使其长度分布于0.5毫米至5.0毫米之间，同时控制其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间。由于选用了不同长度的碳纤维，这些不同长短的短纤维相互重叠缠合，能保证制得的碳纤维纸的强度，因而不需要如传统的制备方法一样，必须加入有机纤维，可以提高碳纤维在碳纤维纸中的含量(在本发明中可以达到96％至99％重量百分比)，形成优良的导电体系，又具有分布均匀的孔隙，保证了气体的均匀扩散。
下面是制备本发明的碳纤维纸材料的工艺步骤首先，选择高碳纤维长丝；在本发明中，对于高碳纤维的要求是具有良好的导电性，因此，较佳地，要求其电阻率在0.001至0.02Ω.cm。符合这一要求的高碳纤维包括聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维。在选用时，可以选择使用其中一种纤维，也可以将两种碳纤维混合选用。
其次，对碳纤维长丝进行短切处理，即，将纤维长丝切成短纤维，并使其长度分布于0.5毫米至5.0毫米之间，同时控制其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间；然后，把切短后的高碳纤维送入到含有分散剂的水相中，使碳纤维均匀分散。分散剂可选用聚乙烯醇、聚丙酰胺等，其加入量小于1％，高碳纤维的含量控制在95％至99％重量百分比之间，其中最佳值在98％至99％；最后，将在上一步制得的造纸浆液，按湿法造纸成型法制得碳纤维纸材料。有关湿法造纸成型法是传统的方法，因此，在此不再对其具体描述。
需要补充说明的是，在上述制备过程中，也可以对碳纤维纸材料的面积重量进行控制，一般将其控制在50至150g/M2。但应当理解，这一控制并非是本发明所必须的，在本发明中，也完全可以采用传统的面积重量。
在如上所述的本发明的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料及其制备方法中，由于利用了碳纤维长短组合的技术，因此，在制备过程中不需要加入影响导电性的有机纤维，从而可以大大提高碳纤维纸中的碳纤维的含量，可达到96％至99％(而传统的碳纸中，含量一般都小于90％)，提高碳纤维纸的导电性。
下面，是本发明的几个具体实例。
实例1
选用聚丙烯腈基碳纤维，经空气氧化前处理几秒至几分钟后，放入切断机中进行切短，使其长度分布在0.5毫米至5.0毫米之间，其具体分布数据如下1毫米长占49％；2毫米长占32％；3毫米长占14％；5毫米长占5％。其平均长度为1.8毫米。
然后放入含有0.5％分散剂的水相中，搅拌均匀，得到造纸浆液。其中分散剂选用聚乙烯醇。
最后，利用传统的湿法造纸成型法制得碳纤维纸材料，干燥后压制得到碳纤维纸材料。本实例中制得的碳纤维纸材料的一些性能指标如下面积重量为98g/M2；厚度为0.25毫米；孔隙率为80％；密度为0.5g/cm3；电阻率为0.060Ω.cm。
实例2选用聚丙烯腈基碳纤维，经空气氧化前处理几秒至几分钟后，放入切断机中进行切短，使其长度分布在0.5毫米至5.0毫米之间，其具体分布数据如下1毫米长占1％；2毫米长占54％；3毫米长占29％；5毫米长占6％。其平均长度为2.36毫米。
然后放入含有0.5％分散剂的水相中，搅拌均匀，得到造纸浆液。其中分散剂选用聚乙烯醇。
最后，利用传统的湿法造纸成型法制得碳纤维纸材料，干燥后压制得到碳纤维纸材料。本实例中制得的碳纤维纸材料的一些性能指标如下面积重量为100g/M2；厚度为0.25毫米；孔隙率为78％；密度为0.48g/cm3；电阻率为0.065Ω.cm。
权利要求
1.一种用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，以短高碳纤维为造纸浆液原料，其特征在于，该短高碳纤维的长度分布于0.5毫米至5.0毫米之间，其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间，其含量占重量百分比96％至99％。
2.如权利要求1所述的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，其特征在于，所述高碳纤维的电阻率为0.001至0.02Ω.cm。
3.如权利要求1或2所述的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，其特征在于，所述高碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维之一或其组合。
4.如权利要求1或2所述的用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料，其特征在于，所述碳纤维纸的面积重量为50至150g/M2。
5.一种制备如权利要求1至4所述的碳纤维纸材料的方法，包括下列步骤A.准备高碳纤维；B.将所述高碳纤维切短，该切短后的短高碳纤维的长度在0.5毫米至5.0毫米之间，其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间；C.选用小于1％的分散剂把所述短高碳纤维分散于水相中，形成浆液原料，其中所述高碳纤维的含量在96％至99％的重量百分比之间；D.利用湿法造纸成型法制得碳纤维纸材料。
6.如权利要求5所述的碳纤维纸材料的制备方法，其特征在于，所述高碳纤维的电阻率为0.001至0.02Ω.cm。
7.如权利要求5或6所述的碳纤维纸材料的制备方法，其特征在于，所述高碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维之一或其组合。
8.如权利要求5或6所述的碳纤维纸材料的制备方法，其特征在于，所述碳纤维纸的面积重量为50至150g/M2。
全文摘要
本发明提供一种用于燃料电池电极气体扩散层的碳纤维纸材料。传统的碳纸存在着导电性、孔隙率等方面的问题。本发明的碳纤维纸材料，以短高碳纤维为造纸浆液原料，其特征在于，该短高碳纤维的长度分布于0.5毫米至5.0毫米之间，其平均长度在1.0毫米至3.0毫米之间，其含量占重量百分比96％至99％。由于在本发明的碳纤维纸材料中包含了不同长短的短高碳纤维，这些不同长短的短纤维相互重叠缠合，形成优良的导电体系，又具有分布均匀的孔隙，保证了气体的均匀扩散，克服了传统电极气体扩散层的碳纸电阻率、孔隙率以及均匀度等方面的缺点。本发明还提供一种制备上述碳纤维纸材料的方法。
文档编号D21H27/00GK1417879SQ011321
公开日2003年5月14日 申请日期2001年11月9日 优先权日2001年11月9日
发明者王曙中, 李灵炘 申请人:上海依极科技有限公司