一种燃料电池用高粘结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高粘结碳纸的制备方法及其应用。

背景技术：

1、燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的装置，利用氢气、天然气、甲醇等燃料与纯氧或空气作为原料分别在电池的阴极和阳极发生氧化还原反应以产生电流。其中质子交换膜燃料电池不仅具备燃料电池的固有特点，更因其以氢气为主要动力源具有能量转换效率高、无污染、启动快、寿命长、比功率、比能量高等优点，在能源和节能技术领域具有广泛的应用。

2、碳纤维纸是质子交换膜燃料电池核心部件——扩散层电极的基体部分，其质量直接涉及到燃料电池的性能。cncn115233498a公开了一种燃料电池用碳纤维纸及其制备方法，然而其并不属于高粘结碳纸，且其导热性能不够优秀。现有的燃料电池用高粘结碳纸存在密度高导致的导热性差和导电性差的问题。

3、综上所述，经过申请人的海量检索，本领域至少现有的燃料电池用高粘结碳纸存在密度高导致的导热性差和导电性差的问题，因此，需要开发或者改进一种燃料电池用高粘结碳纸的制备方法及其应用。

技术实现思路

1、基于此，为了解决现有的燃料电池用高粘结碳纸存在的密度高导致的导热性差和导电性差的问题，本发明提供了一种燃料电池用高粘结碳纸的制备方法及其应用，具体技术方案如下：

2、一种燃料电池用高粘结碳纸的制备方法，其包括以下步骤：

3、将碳纤维进行清洁处理，得到碳纤维前驱体；

4、将所述碳纤维前驱体加入乙醇中，以70～90khz的频率超声1.2～1.8h，然后以600～700r/min的速度搅拌1.2～1.8h，然后加入聚氨酯和碳纳米管，以800～900r/min的速度搅拌均匀，然后以110～130khz的频率超声30～40min，过滤分离，然后在氮气气氛下，以2～4℃/min的速度升温到600～660℃，然后保温2.2～2.6h进行活化，冷却后得到改性碳纤维；

5、将所述改性碳纤维进行湿法成型处理，得到碳纤维原纸；

6、将所述碳纤维原纸置于苯乙炔中浸渍3.2～3.8h，然后在氮气气氛保护下加入环戊二烯基氯化铂和三(三甲硅基)硅烷，升温至25～35℃反应4～6h，得到碳纤维纸前驱体；

7、将所述碳纤维纸前驱体在氩气气氛下，升温至210～230℃保温1.8～2.2h，冷却得到碳纤维纸；

8、将所述碳纤维纸置于改性液中浸渍1.1～1.3h，然后在氩气气氛下，升温至70～80℃烘干，然后进行固化处理和碳化处理，得到所述燃料电池用高粘结碳纸；

9、所述改性液包括改性酚醛树脂、导电材料和溶剂；

10、所述改性酚醛树脂的制备原料包括酚醛树脂、乙二醇、乙酸和乙烯基三氯硅烷。

11、进一步地，将0.5～1.5mm碳纤维置于氢氧化钠溶液中浸渍6～8h，然后以50～70khz的频率超声20～30min，然后水洗至洗涤液的ph值为6.8～7.2，然后置于盐酸溶液中浸渍30～40min，然后乙醇洗至洗涤液的ph值为6.8～7.2，得到碳纤维前驱体；

12、所述氢氧化钠溶液的浓度为2.1～2.3mol/l，所述盐酸溶液的浓度为18～22wt％。

13、进一步地，所述湿法成型处理包括以下步骤：

14、将所述改性碳纤维加入水中，以70～90khz的频率超声2.2～2.8h，然后加入聚氧化乙烯，以300～400r/min的速度搅拌均匀，然后加入成型器中湿法成型，得到所述碳纤维原纸；

15、所述改性碳纤维和聚氧化乙烯的质量之比为98～102：2～8。

16、进一步地，所述改性酚醛树脂的制备方法包括以下步骤：

17、将酚醛树脂加入乙二醇中，以500～600r/min的速度搅拌10～12h，然后分别滴加乙酸和乙烯基三氯硅烷，然后升温至60～70℃反应18～22h，然后冷却得到改性酚醛树脂。

18、进一步地，所述固化处理的条件为在氩气气氛下，升温到230～240℃保持2.3～2.7h。

19、进一步地，所述碳化处理的条件为在氩气气氛下，升温到2000～2100℃保持0.5～0.9h。

20、进一步地，所述碳纤维前驱体、乙醇、聚氨酯和碳纳米管的质量之比为16～18：60～66：1～3：1～3。

21、进一步地，所述改性液的制备方法包括以下步骤：

22、将改性酚醛树脂加入溶剂中，以650～750r/min的速度搅拌7～9h，然后加入导电材料，以70～90khz的频率超声30～40min，得到所述改性液。

23、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；

24、所述溶剂包括水、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。

25、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制备方法制备的燃料电池用高粘结碳纸。

26、上述技术方案提供的制备方法由于同时采用了聚氨酯和碳纳米管对碳纤维进行改性、聚乙炔对碳纤维原纸进行改性和乙烯基三氯硅烷对酚醛树脂进行改性，其制备得到的燃料电池用高粘结碳纸在高密度的情况下，导热性能和导电性能优异；具体地，碳纤维经过聚氨酯和碳纳米管的改性，得到的改性碳纤维的导电性能和粘性显著增强，从而使得制备的碳纤维原纸的导电性能和粘性显著增强；将碳纤维原纸进行苯乙炔改性能进一步形成高密度高导电网络，同时扩展导热面，从而提升导热性能；将得到的碳纤维纸浸渍于乙烯基三氯硅烷改性的酚醛树脂可以提高密度粘性的同时保证导电性能，从而使得最终得到的燃料电池用高粘结碳纸在高密度的情况下，导热性能和导电性能优异。

技术特征：

1.一种燃料电池用高粘结碳纸的制备方法，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，所述清洁处理包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述湿法成型处理包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述改性酚醛树脂的制备方法包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固化处理的条件为在氩气气氛下，升温到230～240℃保持2.3～2.7h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化处理的条件为在氩气气氛下，升温到2000～2100℃保持0.5～0.9h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维前驱体、乙醇、聚氨酯和碳纳米管的质量之比为16～18：60～66：1～3：1～3。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述改性液的制备方法包括以下步骤：

9.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；

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高粘结碳纸。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池用高粘结碳纸的制备方法，本发明涉及燃料电池技术领域，其包括以下步骤：将碳纤维进行清洁处理，得到碳纤维前驱体；将所述碳纤维前驱体改性处理得到改性碳纤维；将所述改性碳纤维进行湿法成型处理，得到碳纤维原纸；将所述碳纤维原纸置于苯乙炔中处理得到碳纤维纸前驱体；将所述碳纤维纸前驱体保温得到碳纤维纸；将所述碳纤维纸浸渍，然后进行固化处理和碳化处理，得到所述燃料电池用高粘结碳纸。本发明提供的制备方法同时采用了聚氨酯和碳纳米管对碳纤维进行改性、聚乙炔对碳纤维原纸进行改性和乙烯基三氯硅烷对酚醛树脂进行改性，其制备得到的燃料电池用高粘结碳纸不仅密度高，且导热性能和导电性能优异。

技术研发人员：陈新,赵伟峰,丁彦春,刘家辉
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：2024/3/11