一种碳纤维纸及其制备方法和应用

本发明涉及燃料电池气体扩散层，尤其涉及一种碳纤维纸及其制备方法和应用。

背景技术：

1、燃料电池是将存储在燃料中的化学能直接转化为电能的一类电化学反应装置，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，排放出的有害气体极少。其中，质子交换膜燃料电池(proton exchangemembranefuelcells,pemfc)拥有能量密度高、响应速度快、清洁环保等优点，广泛应用于航空航天、可移动发电、新能源汽车等领域。pemfc的组成结构主要有双极板、气体扩散层、催化层、质子交换膜。

2、气体扩散层具有支撑催化层、传导电流、为电极反应供给排水通道和气体通道的关键作用，是制约燃料电池性能的重要组件。碳纸具有优良的导电性、透气性、耐腐蚀性和机械强度，是常用的气体扩散层基底材料。

3、碳纸的制备工艺复杂、要求较高，目前国内的高性能碳纸多采用进口产品，通常以碳纤维为原料，采用湿法造纸技术制备碳纸。但是，碳纤维不同于植物纤维，碳纤维表面仅含有少量的基团，在打浆过程中只能产生切断作用，不能产生分丝帚化现象，在纸页成型后也不会产生氢键，在成纸过程中碳纤维难以分散开，且成纸强度小，对成型的要求很高。此外，碳纤维丝直径较大(≥7μm)，制得的碳纤维纸厚度较大(≥0.18mm)，不利于电子传导。因此，如何在简化工艺、解决纤维分散性差的前提下，制备出厚度超薄可控、导电性优良的碳纸，是实现国产高性能碳纸批量化、自主性制备的关键。

4、因此，研究得到一种厚度超薄可控、导电性好、成型要求低、工艺简单、成本低的碳纸具有重要的经济效益和社会意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种碳纤维纸及其制备方法和应用，本发明的碳纤维纸具有良好的导电性和超薄的厚度。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种碳纤维纸的制备方法，包含如下步骤：

4、1)将丙烯腈-n-4-吡啶基-2-丙烯酰胺共聚物和n,n-二甲基甲酰胺混合，得到静电纺丝液；静电纺丝液进行静电纺丝，得到聚丙烯腈基无纺毡；

5、2)将聚丙烯腈基无纺毡进行预氧化处理，得到聚丙烯腈基预氧化毡；

6、3)将聚丙烯腈基预氧化毡在树脂溶液中浸渍后顺次进行干燥、热压固化、碳化、石墨化，得到碳纤维纸。

7、作为优选，步骤1)所述丙烯腈-n-4-吡啶基-2-丙烯酰胺共聚物和n,n-二甲基甲酰胺的质量比为1～2：8～9。

8、作为优选，步骤1)所述静电纺丝的流量为0.6～0.8ml/h，所述聚丙烯腈基无纺毡的厚度为0.10～0.24mm。

9、作为优选，步骤2)所述预氧化处理为将聚丙烯腈基无纺毡顺次在180～220℃预氧化5～15min、270～300℃预氧化30～90min、310～340℃预氧化20～40min；

10、由室温升温至180～220℃的升温速率为2～8℃/min，由180～220℃升温至270～300℃的升温速率为0.2～2℃/min，由270～300℃升温至310～340℃的升温速率为2～8℃/min。

11、作为优选，步骤3)所述树脂溶液的质量浓度为8～20％，所述树脂溶液中，树脂为硼酚醛树脂，溶剂为甲醇和/或乙醇；所述浸渍的时间为10～40min。

12、作为优选，步骤3)所述干燥的温度为60～100℃，干燥的时间为20～60min；所述热压固化的温度为140～170℃，热压固化的压力为5～10mpa，热压固化的时间为10～40min。

13、作为优选，步骤3)所述碳化的温度为1000～1600℃，碳化的时间为3～15min；石墨化的温度为1900～2800℃，石墨化的时间为15～30min；

14、由室温升温至碳化温度的升温速率和由碳化温度升温至石墨化温度的升温速率独立的为2～8℃/min；所述碳化和石墨化在高纯氮气中进行。

15、本发明还提供了所述的制备方法制备得到的碳纤维纸，所述碳纤维纸的厚度为0.05～0.10mm，碳纤维纸的电阻率为4～9mω·cm。

16、本发明还提供了所述的碳纤维纸在质子交换膜燃料电池气体扩散层中的应用。

17、本发明的有益效果包括以下几点：

18、1)本发明采用静电纺丝技术制备不同厚度的聚丙烯腈基无纺毡，经预氧化、浸渍树脂、热压固化、一步碳化石墨化等工艺流程制备得到不同厚度的碳纤维纸，实现碳纤维纸厚度的超薄化及可控制备，本发明的碳纤维纸具备优良的导电性，使其在质子交换膜燃料电池中具有良好效果。

19、2)本发明的方法解决了纤维分散性的问题，同时无需分散剂和配抄纤维以及二次碳化石墨化，成型要求低，工艺简单，成本低，可实现规模化批量生产。

技术特征：

1.一种碳纤维纸的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述丙烯腈-n-4-吡啶基-2-丙烯酰胺共聚物和n,n-二甲基甲酰胺的质量比为1～2：8～9。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所述静电纺丝的流量为0.6～0.8ml/h，所述聚丙烯腈基无纺毡的厚度为0.10～0.24mm。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2)所述预氧化处理为将聚丙烯腈基无纺毡顺次在180～220℃预氧化5～15min、270～300℃预氧化30～90min、310～340℃预氧化20～40min；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述树脂溶液的质量浓度为8～20％，所述树脂溶液中，树脂为硼酚醛树脂，溶剂为甲醇和/或乙醇；所述浸渍的时间为10～40min。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述干燥的温度为60～100℃，干燥的时间为20～60min；所述热压固化的温度为140～170℃，热压固化的压力为5～10mpa，热压固化的时间为10～40min。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤3)所述碳化的温度为1000～1600℃，碳化的时间为3～15min；石墨化的温度为1900～2800℃，石墨化的时间为15～30min；

8.权利要求1～7任意一项所述的制备方法制备得到的碳纤维纸，其特征在于，所述碳纤维纸的厚度为0.05～0.10mm，碳纤维纸的电阻率为4～9mω·cm。

9.权利要求8所述的碳纤维纸在质子交换膜燃料电池气体扩散层中的应用。

技术总结
本发明属于燃料电池气体扩散层技术领域，本发明提供了一种碳纤维纸及其制备方法，将丙烯腈‑N‑4‑吡啶基‑2‑丙烯酰胺共聚物和N,N‑二甲基甲酰胺混合，得到静电纺丝液；静电纺丝液进行静电纺丝，得到聚丙烯腈基无纺毡；将聚丙烯腈基无纺毡进行预氧化处理，得到聚丙烯腈基预氧化毡；将聚丙烯腈基预氧化毡在树脂溶液中浸渍后顺次进行干燥、热压固化、碳化、石墨化，得到碳纤维纸。本发明还提供了碳纤维纸在质子交换膜燃料电池气体扩散层中的应用。本发明采用静电纺丝技术制备不同厚度的聚丙烯腈基无纺毡，实现碳纤维纸厚度的超薄化及可控制备，本发明的碳纤维纸具备优良的导电性，使其在质子交换膜燃料电池中具有良好效果。

技术研发人员：巨安奇,王燕青,倪学鹏
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13