专利名称：两面具有不同亲水疏水性能的功能碳纸材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种具有优良电化学性能的碳纸材料及其制备技术领域，具体的说是一种适用于质子交换膜燃料电池电极扩散层要求的功能碳纸及其制备方法。
质子交换膜燃料电池电极扩散层材料的选择对电极和电池的电化学性能有十分重要的影响。通常质子交换膜燃料电池电极由扩散层和催化层组成，电极扩散层一方面提供反应气体、电子流和排出生成水的通道，另一方面支持催化层网络，是组成电极-膜-电极三合一膜电极组件的重要构造材料，其性质主要取决于所选择的材料。
目前国内外用于质子交换膜燃料电池电极扩散层的材料主要是碳纸。而以往技术制作的碳纸作为电极扩散层时，需要经过较复杂的后处理过程，才能使碳纸的两面具有不同的亲水疏水性能，以满足碳纸在使用时具有定向传输气、液的功能。
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池电极扩散层碳纸制备的新方法。本方法的特点在于制备碳纸过程中首先制备出两种不同组成和疏水性能的碳纸浆液，然后采用两次滤浆，压制成型处理，使其成型后两面具有不同亲水疏水性能，该过程避免了通常碳纸使用时复杂的后处理过程。此法制备的碳纸所选原料价廉易得，工艺流程简单。同时在制备过程中通过加入石墨粉等物质，使碳纸有良好的导电性和适宜的孔隙度。
本发明的技术方案是制备的碳纸由两层组成。其中一层由0-20％纤维素浆、60-99％碳纤维和0-20％石墨粉及少量的粘合剂组成；另一层则由0-20％纤维素浆、40-97％碳纤维、0-20％石墨粉和2-20％矿物纤维及少量的粘合剂组成。将通过湿法抄纸技术抄制的两层碳纤维纸复合层压成型，再高温碳化处理得到本发明的功能碳纸。
本发明提供的其他技术方案是碳纤维可以是聚丙烯晴基碳纤维、沥青基碳纤维等。
纤维素浆可选木浆、棉浆等。
矿物纤维可以是玻璃纤维或者石棉纤维等。
本发明提供一种适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层碳纸的制备方法，依次包括下列步骤a.配制0.05-1％的分散剂水溶液，然后使碳纤维在分散剂水溶液中分散打浆，制得叩解度为2-60°的碳纤维浆；b.将纤维素分散打浆，制得叩解度为2-60°的纸浆；c.将碳纤维浆、纸浆和石墨粉按一定比例混合，加入一定量的造孔剂溶液和粘合剂，放入搅拌机混合搅拌，既可得到造纸混合浆料；d.按常规湿法造纸技术将造纸混合浆料抄纸成型；e.按上述步骤制备另一层碳纸浆料，在制备浆料过程中添加叩解度为2-60°经处理的矿物纤维，使其含量在含量2-20％范围内；f.将两层碳纸复合压制，干燥；g.将复合压制成型的纤维纸碳化处理，碳化温度为500-2200℃，碳化处理后既可得本发明制备的功能碳纸。
本发明还提供如下方法步骤a矿物纤维的处理，加入适量浓度的有机物和石墨粉混合1h。
步骤b的矿物纤维纤维切短在1-15mm范围内，以1-10mm为较佳选择。
本发明制备的质子交换膜燃料电池扩散层碳纸，两面具有不同的亲水疏水性能。虽然在制备过程中加入了矿物纤维，但通过一定处理和控制打浆不影响其导电性，经测试仍具有优良的电化学性能。它明显克服了目前质子交换膜燃料电池电极扩散层所用的碳纸柔韧性差，以及组装电池时需要复杂的使其两面具有不同的亲水疏水性能的后处理操作过程。
本发明提供的质子交换膜燃料电池电极扩散层是以天然纤维素浆粕和碳纤维为基体，以石墨粉兼作导电相和孔隙调节物质，加入适量的分散剂和造孔剂等其他助剂，经湿法造纸技术成型后的两层经压制成型，再经碳化处理后制成。其中一层需添加经处理的矿物纤维。
本发明具有以下特点1.本发明提供了一种新的制备高性能功能碳纸工艺方法。制备的碳纸由组成、性能不同的两层碳纸组成，制得的碳纸两面亲水疏水性能不同，适宜作质子交换膜燃料电池电极的扩散层。
2.本发明所选的矿物纤维易得、价廉，并且强度大，制备的碳纸强度高，且柔韧性好。
3.在抄纸过程中加入适量的造孔剂和石墨粉，能很好改善纸的微孔结构，有较好的透气性和孔隙度；4.本发明避免了碳纸作电极扩散层时，使其两面具有不同的亲水疏水性能的后处理过程。
本发明提供以下实例适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层的功能碳纸其中一层含针叶木浆15％，沥青基碳纤维74％，石墨粉10％，分散剂及其他助剂1％。另一层含针叶木浆10％，沥青基碳纤维为70％，石墨粉为9％，玻璃纤维10％，分散剂及其他助剂1％，经湿法抄纸压制成型，在1100℃碳化2h。孔隙率为75％，体积电阻率面内方向0.04Ω.cm，可以与SGL公司生产的碳纸性能(体积电阻率面内方向0.02Ω.cm，)相媲美，且本发明的碳纸空隙率可以根据需要进行调节。
权利要求
1.一种两面具有不同亲水疏水性能的功能碳纸，它适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层材料，其特征在于所述的功能碳纸由两层经湿法造纸技术成型后碳纸压制复合成型，再经碳化处理后制成。
2.根据权利要求1所述的适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层的功能碳纸其中一层由0-20％纤维素浆、60-99％碳纤维和0-20％石墨粉及少量的粘合剂组成；另一层则由0-20％纤维素浆、40-97％碳纤维、0-20％石墨粉和2-20％矿物纤维及少量的粘合剂组成。
3.根据权利要求1所述的适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层的功能碳纸，其特征在于所述的碳纤维可以是聚丙烯碳纤维、沥青基碳纤维。
4.根据权利要求1所述的适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层的功能碳纸，其特征在于所述的矿物纤维为玻璃纤维、石棉纤维等。矿物纤维可直接使用，也可经活化处理后使用。
5.根据权利要求1所述的适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层的功能碳纸，其特征在于所述的纤维素浆可选木浆、棉浆等。
6.根据权利要求1或2所述的适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层的功能碳纸，其特征在于所述的化学纤维长度为1-15mm。
7.一种适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层的功能碳纸的制备方法，依次包括下列步骤a.配制0.05-1％的分散剂水溶液，然后使碳纤维在分散剂水溶液中分散打浆，制得叩解度为2-60°的碳纤维浆；b.将纤维素分散打浆，制得叩解度为2-60°的纸浆；c.将碳纤维浆、纸浆和石墨粉按一定比例混合，加入一定量的造孔剂溶液和粘合剂，放入搅拌机混合搅拌，既可得到造纸混合浆料；d.按常规湿法造纸技术将造纸混合浆料抄纸成型；e.按上述步骤制备另一层碳纸浆料，在制备浆料过程中添加叩解度为2-60°经处理的矿物纤维，使其含量在2-20％范围内；f.将两层碳纸复合压制，干燥；g.将复合成型纤维纸碳化处理，碳化温度为500-2200℃，碳化处理后既可得本发明制备的功能碳纸。
8.根据权利要求7所述的适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层的功能碳纸，其特征在于后处理碳化温度为500-2200℃。
9.根据权利要求7所述的适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层的功能碳纸的制备方法，其特征在于步骤c和e的混合浆液在分散剂水溶液中的浓度为0.1-4wt％。
全文摘要
本发明公开了一种两面具有不同亲水疏水性能的功能碳纸及其制备技术。本发明的功能碳纸首先制备两种组成和疏水性能不同的碳纸浆液,然后采用两次滤浆,压制成型,再经过后处理而得,使其成型后两面具有不同亲水疏水性能,适宜作质子交换膜燃料电池电极扩散层材料。本发明公开的功能碳纸两面具有不同亲水疏水性能,该过程避免了通常碳纸使用时复杂的后处理过程。该法制备的碳纸所选原料价廉易得,工艺流程简单。同时在制备过程中通过加入石墨粉等物质,使碳纸有良好的导电性和适宜的孔隙度。
文档编号D21H27/30GK1378014SQ02116609
公开日2002年11月6日 申请日期2002年4月11日 优先权日2002年4月11日
发明者汪树军, 张伟, 刘红研, 张羽毳, 赵永丰 申请人:石油大学(北京)