一种新型氢燃料电池空气滤芯的制作方法

本发明涉及氢燃料电池技术领域，具体涉及一种新型氢燃料电池空气滤芯。

背景技术：

氢燃料电池是一种清洁能源，它不断吸入大气中的氧，氧与氢进行反应产生电能。氢燃料电池车作为新能源汽车的重要组成部分，近年来收到持续关注并取得了突破性的研发进展。与传统能源汽车不同，氢燃料电池对吸入空气的纯净度要求更高，存在于大气中的各类酸、碱性气体，例如nox、nh3、sox、硫化物、碳氢化合物、挥发性有机物等，均能对氢燃料电池的电极产生负面影响，导致电池输出功率降低的同时，也会缩短电池的使用寿命。因此，用于过滤这些有害气体的空滤系统是氢燃料电池系统中不可缺少的组成部分。

我国幅员辽阔，南北环境差异较大，氢燃料电池车要普及就必须适应各种环境。这就要求氢燃料电池的空气净化系统必须能够有效过滤和吸收二氧化硫、氨气等有害物质，以保证氢燃料电池正常稳定工作。因此对恶劣空气质量的耐受程度对氢燃料电池来说是最基本的要求。这就要求必须开发一种高效的氢燃料电池用空气净化滤芯。氢燃料电池车的空滤系统的核心是空气净化滤芯。滤芯既需要让空气能够在低阻力的情况下流入流出，又同时需要在空气流经的极短时间内，吸附气流中的有害气体，开发难度很大。氢燃料电池空滤芯技术在世界范围内也属于较前沿的领域，国外少数产品尝试过利用化学反应除去有害气体的过滤方式。但是滤材的化学预处理，长期保存；同时去除酸与碱等性质完全不用的有害气体，都导致了空滤芯的成本高，去除效率低，效果差，难以取得市场普及。另外，有使用活性炭材料作为吸附剂，吸附二氧化硫、氨气等有害物质，但普通活性炭材料容易吸附饱和，吸附效率低。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种新型氢燃料电池空气滤芯，针对上述方法的不足，发明一种不容易吸附饱和、低阻力的新型氢燃料电池空气滤芯。

本发明的一种技术方案是：

一种新型氢燃料电池空气滤芯，具有颗粒物过滤层、吸附净化层和防炭灰过滤层，所述颗粒物过滤层、吸附净化层、防炭灰过滤层由外至里依次排列且相邻的层之间相互贴附，所述颗粒物过滤层由纳米纤维构成，所述吸附净化层由碳纳米纤维气凝胶构成，所述防炭灰过滤层由纳米纤维构成。

进一步的，所述纳米纤维为聚氨酯、聚酰胺、聚酯、聚丙烯、聚丙烯腈中的任意一种或多种。

进一步的，所述纳米纤维由静电纺丝方法制备，静电电压是12-20kv，纺丝距离是12-18cm。

进一步的，所述纳米纤维的直径为100-300nm，孔隙率为30-60％。

进一步的，所述碳纳米纤维气凝胶由聚丙烯腈和石墨烯复合纳米纤维材料经碳化后制得。

进一步的，所述碳纳米纤维气凝胶由静电纺丝和冷冻干燥方法制备：采用静电纺丝法制备碳纳米纤维前驱体，先配置10-15％浓度的聚丙烯腈溶液，加入0.1-1％的石墨烯，溶剂为n，n-二甲基甲酰胺，利用水浴接收聚丙烯腈/石墨烯纳米纤维，将纺丝3h后获得的纳米纤维转移至圆柱形塑料培养皿模具中，冷冻干燥48h，干燥结束后得到具有三维结构的聚丙烯腈/石墨烯复合纳米纤维气凝胶，然后再在高温管式炉中，以1℃/min的升温速率升至300℃，并在此温度下保持1h进行预氧化处理，再在氮气氛围保护下，以5℃/min的升温速率升至900℃，在此温度下保持1h进行碳化处理，制得碳纳米纤维气凝胶。

进一步的，所述碳纳米纤维气凝胶的密度为20-40mg/cm³，比表面积为500-1000m²g^-1。

进一步的，所述新型氢燃料电池空气滤芯还包括两块支撑保护层，两块支撑保护层分别设置在所述颗粒物过滤层和防炭灰过滤层的外侧。

进一步的，所述支撑保护层采用无纺布密封材料。

进一步的，所述无纺布密封材料为聚丙烯。

本发明提供了一种新型氢燃料电池空气滤芯，其优点是：

1.本发明通过静电纺丝技术制备具有三维结构的碳纳米纤维气凝胶，该气凝胶材料具有超轻量(20-40mg/cm³)、超高比表面积(500-1000m²g^-1)的特点，对于二氧化硫、氨气等有害物质具有超高吸附率，解决了普通活性炭材料容易吸附饱和的问题。

2.本发明采用石墨烯掺杂聚丙烯腈(pan)的方法制备前驱体，经碳化后制备碳纳米纤维气凝胶，提高了气凝胶的机械强度，满足实际应用要求。

3.本发明采用多层净化技术，颗粒物过滤层由纳米纤维膜构成，可有效过滤空气中的固体和油性颗粒物，对粒径0.3微米以上的颗粒物，过滤效率达到99.5％，同时纳米纤维膜的空气阻力低，可保证空气快速通过。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，

图1为本发明所述的一种新型氢燃料电池空气滤芯的结构示意图，其中：1为支撑保护层、2为颗粒物过滤层、3为吸附净化层、4为防炭灰过滤层；

图2为聚氨酯(pu)纳米纤维膜的扫描电镜图；

图3为碳纳米纤维气凝胶的截面扫描电镜图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种新型氢燃料电池空气滤芯包括三层：净化滤芯包括颗粒物过滤层2、吸附净化层3和防炭灰过滤层4。颗粒物过滤层2由直径100-300nm、孔隙率30-60％的纳米纤维膜构成，纳米纤维膜孔隙率高、孔径小，可有效过滤空气中的固体和油性颗粒物；吸附净化层3由密度20-40mg/cm³、比表面积500-1000m²g^-1的碳纳米纤维气凝胶材料构成，气凝胶具有较高机械强度，比表面积大，单位质量吸附量大，孔隙率高，有利于空气流动；防炭灰过滤层4同样由直径100-300nm、孔隙率30-60％的纳米纤维膜构成，纳米纤维膜可以有效过滤纳米碳纤维气凝胶破损带来的灰粉，防止过滤后空气的二次污染；颗粒物过滤层2、吸附净化层3和防炭灰过滤层4由外至里依次排列且相邻的层相互贴附。

新型氢燃料电池空气滤芯还包括两层支撑保护层1，支撑保护层1采用无纺布密封材料，分别置于净化复合层两侧的最外层，起到支撑和防止腔体内的活性炭颗粒逸出作用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。

首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间。

实施例1

本实施案例展示一种新型氢燃料电池空气滤芯，基本构成是颗粒物过滤层2、吸附净化层3和防炭灰过滤层4组成。为了增强对滤芯的支撑和防护，在净化滤芯的最外层设有支撑层1，净化滤芯的具体结构形式为折叠的板式结构。如图1所示，净化滤芯是多层结构，具体由支撑保护层1，颗粒物过滤层2，吸附净化层3、防炭灰过滤层4、由外到里依次排列组成，净化空气时空气依次通过支撑保护层1、颗粒物过滤层2、吸附净化层3、防炭灰过滤层4、支撑保护层1，最后从滤芯的另外一侧流出，达到对空气净化的目的。

支撑保护层1设置在净化滤芯的最外面一层，采用聚丙烯(pp)无纺布作为支撑和防护材料。

颗粒物过滤层2紧挨着支撑保护层1，该层由聚氨酯(pu)纳米纤维膜构成，具体的制备方法和工艺为：采用静电纺丝法制备，聚氨酯纺丝溶液的浓度为13％，静电电压是12kv，纺丝距离是12cm，在此工艺条件下制得的纳米纤维的直径分布范围为210nm左右，平均孔径为1.2μm，孔隙率42％。如图2所示，制得的厚度为0.3g/m²的纳米纤维膜在30l/min的流量下对0.3μm直径的氯化钠微粒的拦截率可达到99.5％。颗粒物过滤层2的纳米纤维直径、孔径、孔隙率以及膜的厚度可以根据空气质量的实际情况进行甄选。

吸附净化层3紧挨着颗粒物过滤层2，该层由碳纳米纤维气凝胶构成，是净化空气中有害物质(nox、nh3、sox、硫化物、碳氢化合物、挥发性有机物等)最主要的结构层。具体的制备方法和工艺为：采用静电纺丝法制备碳纳米纤维前驱体，首先配置10％浓度的聚丙烯腈(pan)溶液，加入0.5％的石墨烯(graphene)，溶剂为n，n-二甲基甲酰胺(dmf)，利用水浴接收pan/石墨烯纳米纤维，将纺丝3h后获得的纳米纤维转移至圆柱形塑料培养皿模具(直径3.5cm，高1.8cm)中，冷冻干燥48h，干燥结束后得到具有三维结构的pan/石墨烯复合纳米纤维气凝胶，然后在在高温管式炉中，以1℃/min的升温速率升至300℃，并在此温度下保持1h进行预氧化处理，再在氮气氛围保护下，以5℃/min的升温速率升至900℃，在此温度下保持1h进行碳化处理，如图3所示，制得碳纳米纤维气凝胶，密度为24.48mg/cm³、比表面积953m²g^-1。碳纳米纤维气凝胶的密度和比表面积可以根据空气质量的实际情况，所需的吸附量及吸附效率进行甄选。

防炭灰过滤层4紧挨吸附净化层3，该层也是由聚氨酯(pu)纳米纤维膜构成，在本例中，选用与颗粒物过滤层中相同的纳米纤维，即也为图3所示结构。

上述支撑保护层1、颗粒物过滤层2、吸附净化层3、防炭灰过滤层4和另一支撑保护层1、相互紧挨，相邻层之间不留空隙。

需说明的是，氢燃料电池的新型空气滤芯可以根据实际的空气质量、流量以及对各种有害气体吸附量及吸附效率的要求，选择不同性能的颗粒物过滤层2与吸附净化层3，以达到最优最经济的产品开发目的。

综上所述，本发明公开了一种新型氢燃料电池空气滤芯，通过静电纺丝技术制备具有三维结构的碳纳米纤维气凝胶，该气凝胶材料具有超轻量(20-40mg/cm³)、超高比表面积(500-1000m²g^-1)的特点，对于二氧化硫、氨气等有害物质具有超高吸附率，解决了普通活性炭材料容易吸附饱和的问题；采用石墨烯掺杂聚丙烯腈(pan)的方法制备前驱体，经碳化后制备碳纳米纤维气凝胶，提高了气凝胶的机械强度，满足实际应用要求；采用多层净化技术，过滤层由纳米纤维膜构成，可有效过滤空气中的固体和油性颗粒物，对粒径0.3微米以上的颗粒物，过滤效率达到99.5％。同时纳米纤维膜的空气阻力低，可保证空气快速通过。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。