一种燃料电池用碳纸的制备方法及其应用与流程

本发明涉及燃料电池，具体而言，涉及一种燃料电池用碳纸的制备方法及其应用。

背景技术：

1、燃料电池发电技术是继水力、火力、核能发电之后的第四类发电技术，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。其中，质子交换膜燃料电池是燃料电池中最具发展前景的一类，它具有体积重量小、能量密度高、启动速度快、运行安全可靠等优点，因而备受关注。气体扩散层作为质子交换膜燃料电池的关键部件之一，它不仅要起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还要为电极反应提高气体通道、质子通道、电子通道和排水通道，其性能对燃料电池的电池性能产生了直接影响。气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，而基底层材料主要包括碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布或炭黑纸，其中碳纤维纸因其优良的性能被广泛认可。cn115341407a公开了燃料电池气体扩散层用碳纤维纸及其制备方法和应用，然而其制备的燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的透气性能不稳定，拉伸强度和垂直向导电性能不够优秀。

2、综上所述，经过申请人的海量检索，本领域至少存在现有的燃料电池用碳纸的制备方法制备的燃料电池用碳纸透气性能不稳定，拉伸强度和垂直向导电性能不够优秀的问题，因此，需要开发或者改进一种燃料电池用碳纸的制备方法及其应用。

技术实现思路

1、基于此，为了现有的燃料电池用碳纸的制备方法制备的燃料电池用碳纸透气性能不稳定，拉伸强度和垂直向导电性能不够优秀的问题，本发明提供了一种燃料电池用碳纸的制备方法及其应用，具体技术方案如下：

2、一种燃料电池用碳纸的制备方法，其包括以下步骤：

3、碳纤维原纸的制备：将改性碳纤维加入水中，以50～70khz的频率超声1～1.5h，然后加入聚山梨酯和聚氧化乙烯，以550～650r/min的速度搅拌5～7h，然后加入聚乙烯醇，继续以550～650r/min的速度搅拌3.0～3.6h，然后进行湿法成型，将成型纸张在80～90℃下干燥50～60min，然后再热压，得到所述碳纤维原纸；

4、浸渍与碳化：将所述碳纤维原纸置于浸渍液中浸渍50～60min，然后在氮气保护气氛下，置于95～105℃烘干，然后在氩气保护气氛下，加热到250～270℃保持2～3h进行固化，然后在氩气保护气氛下加热到1800～1900℃进行碳化，得到所述燃料电池用碳纸；

5、所述浸渍液包括改性石墨、导电材料、分散剂和溶剂；

6、所述改性碳纤维的制备原料包括碳纤维、尿素和三聚氰胺；

7、所述改性石墨的制备原料包括硝酸亿、水合肼和乙二胺；

8、所述改性碳纤维、聚山梨酯、聚氧化乙烯和聚乙烯醇的质量之比为13～17：3～5：10～15：10～15；

9、所述碳纤维的长度为0.8～1.2mm。

10、进一步地，所述改性纤维的制备方法包括以下步骤：

11、改性碳纤维的制备：将碳纤维加入丙酮中，回流2～3h，然后乙醇洗涤，然后在60～70℃下进行干燥，干燥后加入水中，以50～70khz的频率超声0.6～0.8h，然后加入尿素，以380～420r/min的速度搅拌2～3h，然后加入三聚氰胺-乙二醇混合物，然后以500～560r/min的速度搅拌3.5～3.9h，然后过滤，将固态物在氮气气氛下加热到210～230℃活化，得到所述改性碳纤维。

12、进一步地，所述改性石墨的制备方法包括以下步骤：

13、改性石墨的制备：将石墨加入乙醇溶液中，以50～70khz的频率超声5～6h，然后加入硝酸钇水溶液，搅拌均匀，然后以50～70khz的频率超声1.2～1.8h，继续以250～350r/min的速度搅拌，然后加入水合肼，搅拌均匀后加入乙二胺，然后加热到50～56℃，反应2.2～2.8h，冷却后离心机分离，然后对沉淀物使用纯水洗涤至洗涤液中检测不到钇，然后用乙醇洗涤三次，然后置于烘箱中，在90～100℃下烘干6～8h，得到所述改性石墨。

14、进一步地，所述碳纤维、尿素和三聚氰胺的质量比为5～7：0.8～1.2：0.8～1.2。

15、进一步地，所述热压的条件为温度145～152℃，压强5～7mpa。

16、进一步地，所述导电材料包括碳纤维、碳纳米管、乙炔黑、介孔碳、导电炭黑、碳气凝胶、石墨和石墨烯中的至少一种。

17、进一步地，所述分散剂包括包括聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物和四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚共聚物中的至少一种。

18、进一步地，所述溶剂包括包括水、乙醇、乙二醇、丙酮、丙三醇、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺和n-甲基吡咯烷酮中的至少一种。

19、进一步地，所述石墨和硝酸亿的质量之比为8～10：1，水合肼和乙二胺的质量之比为1：0.8～1.2。

20、本技术方案还提供了一种燃料电池，其包括质子交换膜、气体扩散层、催化层和双极板，所述气体扩散层为上述技术方案提供的制备方法制备的燃料电池用碳纸。

21、上述技术方案制备的燃料电池用碳纸由于在制备的过程中同时使用了尿素和三聚氰胺改性的碳纤维和硝酸亿、水合肼和乙二胺改性的石墨，所得到的燃料电池用碳纸的透气性能、导电性能和机械强度稳定且优异。具体地，由于改性碳纤维同时利用线性的尿素和环状的三聚氰胺改性，在活化以后，改性碳纤维中掺杂有氮元素，且部分含氮基团可以在改性碳纤维表面立体有序排列，进一步地，改性碳纤维浸渍有改性石墨的浸渍液，其内嵌的含氮元素和表层的含氮基团与改性石墨的含氮基团发生相互作用力，从而使得改性石墨在改性碳纤维表面均匀有序排列，而且能在纵向形成高效电子通道，因此，使用该技术方案制备得到的燃料电池用碳纸的透气性能、导电性能和机械强度稳定且优异。

技术特征：

1.一种燃料电池用碳纸的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述改性纤维的制备方法包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述改性石墨的制备方法包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维、尿素和三聚氰胺的质量比为5～7：0.8～1.2：0.8～1.2。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热压的条件为温度145～152℃，压强5～7mpa。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述导电材料包括碳纤维、碳纳米管、乙炔黑、介孔碳、导电炭黑、碳气凝胶、石墨和石墨烯中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述分散剂包括包括聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物和四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚共聚物中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂包括包括水、乙醇、乙二醇、丙酮、丙三醇、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺和n-甲基吡咯烷酮中的至少一种。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述石墨和硝酸亿的质量之比为8～10：1，水合肼和乙二胺的质量之比为1：0.8～1.2。

10.一种燃料电池，其包括质子交换膜、气体扩散层、催化层和双极板，其特征在于，所述气体扩散层为权利要求1所述的制备方法制备的燃料电池用碳纸。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池用碳纸的制备方法，本发明涉及燃料电池技术领域，其包括以下步骤：碳纤维原纸的制备；浸渍与碳化；所述浸渍液包括改性石墨、导电材料、分散剂和溶剂；所述改性碳纤维的制备原料包括碳纤维、尿素和三聚氰胺；所述改性石墨的制备原料包括硝酸亿、水合肼和乙二胺；所述改性碳纤维、聚山梨酯、聚氧化乙烯和聚乙烯醇的质量之比为13～17：3～5：10～15：10～15；所述碳纤维的长度为0.8～1.2mm。本发明技术方案制备的燃料电池用碳纸由于在制备的过程中同时使用了尿素和三聚氰胺改性的碳纤维和硝酸亿、水合肼和乙二胺改性的石墨，所得到的燃料电池用碳纸的透气性能、导电性能和机械强度均稳定且优异。

技术研发人员：周山麒,徐爽,王迪,胡海平
受保护的技术使用者：湖南隆深氢能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4