CN109411769B - 一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法 - Google Patents

一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109411769B
CN109411769B CN201811255822.9A CN201811255822A CN109411769B CN 109411769 B CN109411769 B CN 109411769B CN 201811255822 A CN201811255822 A CN 201811255822A CN 109411769 B CN109411769 B CN 109411769B
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon fiber
fiber paper
parts
treatment
resin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811255822.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109411769A (zh
Inventor
郭平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SHANGHAI ZHONGHAILONG HIGH AND NEW TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE
Original Assignee
Fuyang Chuangqi Crafts Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuyang Chuangqi Crafts Co ltd filed Critical Fuyang Chuangqi Crafts Co ltd
Priority to CN201811255822.9A priority Critical patent/CN109411769B/zh
Publication of CN109411769A publication Critical patent/CN109411769A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109411769B publication Critical patent/CN109411769B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8803—Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8807—Gas diffusion layers
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H13/00—Pulp or paper, comprising synthetic cellulose or non-cellulose fibres or web-forming material
    • D21H13/36—Inorganic fibres or flakes
    • D21H13/46—Non-siliceous fibres, e.g. from metal oxides
    • D21H13/50—Carbon fibres
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Paper (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，包括如下步骤：（1）浸渍树脂制备、（2）稳定增强添加料制备、（3）碳纤维纸胚体制备、（4）树脂浸渍处理、（5）成品碳纤维纸制备。本发明提供了一种碳纤维纸的制备方法，其工艺步骤搭配合理，便于推广生产应用，制得的碳纤维纸具有力学品质好，使用稳定性强，透气性、孔径分布合理等特点，能够有效的延长燃料电池的使用寿命，极具市场竞争力。

Description

一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法
技术领域
本发明属于新型燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法。
背景技术
进入 21 世纪，随着经济和社会的发展，人们对于能源的需求持续增加，为了推动可持续发展，人类必须大力发展各种新能源；同时，地球上现有能源由于大量消费化石燃料，对环境造成巨大的破坏，危及后代人的生存和发展。种种因素逼迫人类开发新能源代替高含碳量的矿物能源，大力开放新能源和可再生能源的利用技术将是未来社会减少环境污染的重要措施。燃料电池发电是继水力、火力、核能发电之后的第四类发电技术，它是一种不经过燃烧在等温条件下直接以电化学反应方式将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效且与环境友好地转化为电能的发电装置。因其具有高的能量转换效率、无污染等优点，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与大公司的重视，被认为是 21世纪首选的洁净、高效的发电技术，是一种新型的、发展潜力巨大的实用技术。燃料电池具有以下优点：能量转换效率高、低噪声、低污染、适应性强，燃料多样性及建设周期短、维护方便等。
碳纤维纸是一种广泛应用于质子交换膜燃料电池电极中的气体扩散层材料，它不仅具有均匀的多孔质薄层结构，而且由于其主要原料是石墨化炭纤维，这种纤维具有高导热、高导电、密度小、耐高温、耐烧蚀、强度高等特点，使得它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。作为质子交换膜燃料电池的气体扩散层材料，碳纤维纸的性能优劣主要从以下几个方面 来把握：
（1）透气性能。透气性能是作为燃料电池气体扩散层的碳纤维纸最重要的性能之一。在质子交换膜燃料电池中，碳纤维纸作为电池的气体扩散层，位于气体传输的关键路径上，其重要作用是，使燃料气体和氧化性气体能顺利扩散到电极上，且均匀分布于催化剂层中，形成最大的电化学反应面积，最大限度地发挥催化剂的作用，进而提高电池效率，节约电池成本。碳纤维纸的透气性直接关系到电池性能，透气性良好，不仅可以减小电池中气体扩散的阻力，降低电极过电位，而且透气性的好坏也直接影响着生成水的导出，电池反应中的水、气的管理一直是制约电池性能提高及商业化应用的一个关键因素。
（2）力学性能。这里的力学性能主要指碳纤维纸的强度，强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，PEMFC中，碳纤维纸的强度直接影响着其在电池中的使用寿命并影响着电池寿命。首先，为了有效改善电池中反应气和电化学反应生成液态水的传质，降低电池在高电流密度区的浓差极化，需对碳纤维纸进行疏水化处理，并使其担载一层由碳粉和PTFE混合物制成的微孔层，这样就要求作为基底层的碳纤维纸具有一定的强度；其次，在制备电极及电池的装配过程中，碳纤维纸需承受装配过程中的机械应力；另外电池使用过程中，碳纤维纸作为气体扩散层，起着支撑催化层、稳定电极结构的作用。只有具备良好的力学性能，才更有利于加工制作，降低气体扩散层出现损伤进而影响到电池性能的可能性，从而可以节约成本，提高电池寿命。
（3）导电性能。由燃料电池电极反应原理知道，阳极产生的电子必须通过气体扩散层传递到阴极催化层反应点，才能保证电池内部电催化反应连续而稳定地进行，因此碳纤维纸必须是电子的良导体，其电阻率越低，那么在电池中所占分压也越小，从而对电池总功率的影响也会降至最低，减小电子、质子传导时引起的欧姆电阻，以便为电子传输提供通道使电子顺利导出，碳纤维纸的优异导电性能可使燃料电池发挥出更高效率。
（4）柔韧性。对于结构材料而言，韧性是除强度外的又一重要性能指标，韧性与脆性相对应，是断裂过程的能量参量，是指材料变形和断裂过程中吸收能量的能力，韧性材料具有高的断裂能。碳纤维纸是一种以树脂炭为基体、以炭纤维作为增强体的脆性复合材料，在受到外加载荷作用时，碳纤维纸的破坏形式主要是炭纤维与炭基体的脱粘及纤维从基体中的拔出。目前国内外碳纤维纸一个致命的弱点是脆性大，不利于大规模的连续工业化生产和运输，在制作电极的过程 中极易被损坏，直接影响电池的整体寿命。柔韧性良好的碳纤维纸更利于加工制作，即使是发生损伤后也能有效制止新破坏源生成，延长电极寿命，进一步降低成本。
（5）孔径分布。电池进行电化学反应时，碳纤维纸的多孔结构有利于反应气和生成水的顺利传质，孔径分布越理想，排水性就越好，同时也能有效供应气流，产生更好的电池性能。另外，孔径的大小影响燃料电池的极限电流密度、液态水相饱和度、气体有效扩散因子等，在一定范围内，孔径越大，极限电流密度越大，电池的输出性能相对来说更理想。
目前现有常用的碳纤维纸多存在着强度不佳、透气性能不良等问题，影响了电池使用的稳定性和寿命，需要不断的进行改进。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，包括如下步骤：
（1）浸渍树脂制备：
将酚醛树脂、脲醛树脂和萜烯树脂对应按照重量比8~10:2~4:1~2进行混合投入到搅拌罐内，然后向搅拌罐内加入其总质量20~25%的乙酸乙酯，以300~400转/分钟的转速搅拌处理2~3h后取出得浸渍树脂备用；
（2）稳定增强添加料制备：
a.先将片层石墨烯投入到硅烷偶联剂溶液中浸泡处理25~30min，期间持续进行超声处理，完成后将片层石墨烯滤出、干燥备用；
b.按对应重量份称取下列物质：50~55份丙烯腈单体、4~6份丙烯酸、2~4份马来酸、1~3份丙烯酸羟丙酯、2~4份甲基丙烯酸甲酯、6~9份十二烷基苯磺酸钠、3~6份十二烷基三甲基溴化铵、120~130份水；然后将上述所有物质共同投入到搅拌罐内，高速搅拌均匀后得混合液A备用；
c. 按对应重量份称取下列物质：4~7份十二烷基磺酸钠、25~30份苯胺单体、2~4份壬基酚聚氧乙烯醚、90~100份水；然后将上述所有物质共同投入到搅拌罐内，高速搅拌均匀后得混合液B备用；
d.将操作b所得的混合液A和操作c所得的混合液B按照体积比1~1.2:1进行混合投入到反应釜内，不断搅拌处理30~35min后，再向反应釜内加入过硫酸铵水溶液，以1200~1400转/分钟的转速不断搅拌处理2~3h后，再将操作a处理后的片层石墨烯加入到反应釜内，随后加热保持反应釜内的温度为90~95℃，并将其内的压力增至0.4~0.45MPa，保温保压处理3~4h后将片层石墨烯滤出备用；
e.将操作d所得的片层石墨烯放入到真空干燥箱内干燥处理5~6h后取出，最后再放入到球磨机内球磨处理后过2000目得稳定增强添加料备用；
（3）碳纤维纸胚体制备：
将碳纤维、步骤（2）制得的稳定增强添加料、分散剂、造孔剂、水对应按照重量比25~30：4~6:8~10:0.5~1:240~260进行混合，然后不断搅拌打浆处理2~4h，最后按照传统的湿法抄纸技术抄造得碳纤维纸胚体备用；
（4）树脂浸渍处理：
对步骤（3）所得的碳纤维纸胚体进行干燥处理后，再用步骤（1）所得的浸渍树脂对碳纤维纸胚体进行浸渍处理；
（5）成品碳纤维纸制备：
对步骤（4）浸渍处理后的碳纤维纸胚体进行3~4次模压固化工艺处理后，再在氮气保护气氛下进行碳化处理，完成后取出即得成品碳纤维纸。
进一步的，步骤（2）操作a中所述的硅烷偶联剂溶液的质量分数为30~35%；所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh550、硅烷偶联剂kh560、硅烷偶联剂kh570中的任意一种；所述超声处理时控制超声波的频率为400~440kHz。
进一步的，步骤（2）操作d中所述的过硫酸铵水溶液的加入量是操作c所得的混合液B总体积的10~12%；所述过硫酸铵水溶液的质量分数为15~20%。
进一步的，步骤（2）操作e中所述的干燥处理时控制真空干燥箱内的温度为80~85℃，真空度控制为5~10Pa。
进一步的，步骤（3）中所述的分散剂为石蜡类分散剂；所述的造孔剂为碳酸氢铵。
进一步的，步骤（4）中所述的浸渍处理后控制浸渍树脂在碳纤维纸胚体上的浸渍附着量是碳纤维纸胚体总质量的20~25%。
进一步的，步骤（5）中所述的碳化处理时控制碳化的温度为1200~1800℃。
本发明对碳纤维纸的制备方法进行了特殊的加工改进处理，有效的提升了碳纤维纸的使用品质。其中，先以酚醛树脂、脲醛树脂和萜烯树脂复配成了浸渍树脂成分，有效的保证了树脂的粘结、固化等使用品质，接着又制备了一种稳定增强添加料成分，此成分用以复配提升碳纤维的成纸密度和效果，此稳定增强添加料是一种以片层石墨烯为主体成分，经混合液A和混合液B复合改性的填料，最后处理后成型的片层石墨烯上接枝固定了聚丙烯腈和聚苯胺超细纤维，此纤维有助于纸张抄造时提升片层石墨烯与碳纤维间的结合固定性，有助于提升碳纤维间的相互附着堆积能力，进而提升了纸张的致密性，而在纸张中嵌入了片层石墨烯有助于调整纸张的柔韧性、力学性能和透气性等；后续在将稳定增强添加料复合到碳纤维纸胚体内碳化后，聚苯胺超细纤维消失形成了大量微小孔洞，进一步提升了整体的透气性能等，而聚丙烯腈超细纤维则被碳化成碳纤维与胚体内初始碳纤维成分共同复合进一步提高了整体的力学品质。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明提供了一种碳纤维纸的制备方法，其工艺步骤搭配合理，便于推广生产应用，制得的碳纤维纸具有力学品质好，使用稳定性强，透气性、孔径分布合理等特点，能够有效的延长燃料电池的使用寿命，极具市场竞争力。
具体实施方式
实施例1
一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，包括如下步骤：
（1）浸渍树脂制备：
将酚醛树脂、脲醛树脂和萜烯树脂对应按照重量比8:2:1进行混合投入到搅拌罐内，然后向搅拌罐内加入其总质量20%的乙酸乙酯，以300转/分钟的转速搅拌处理2h后取出得浸渍树脂备用；
（2）稳定增强添加料制备：
a.先将片层石墨烯投入到硅烷偶联剂溶液中浸泡处理25min，期间持续进行超声处理，完成后将片层石墨烯滤出、干燥备用；
b.按对应重量份称取下列物质：50份丙烯腈单体、4份丙烯酸、2份马来酸、1份丙烯酸羟丙酯、2份甲基丙烯酸甲酯、6份十二烷基苯磺酸钠、3份十二烷基三甲基溴化铵、120份水；然后将上述所有物质共同投入到搅拌罐内，高速搅拌均匀后得混合液A备用；
c. 按对应重量份称取下列物质：4份十二烷基磺酸钠、25份苯胺单体、2份壬基酚聚氧乙烯醚、90份水；然后将上述所有物质共同投入到搅拌罐内，高速搅拌均匀后得混合液B备用；
d.将操作b所得的混合液A和操作c所得的混合液B按照体积比1:1进行混合投入到反应釜内，不断搅拌处理30min后，再向反应釜内加入过硫酸铵水溶液，以1200转/分钟的转速不断搅拌处理2h后，再将操作a处理后的片层石墨烯加入到反应釜内，随后加热保持反应釜内的温度为90℃，并将其内的压力增至0.4MPa，保温保压处理3h后将片层石墨烯滤出备用；
e.将操作d所得的片层石墨烯放入到真空干燥箱内干燥处理5h后取出，最后再放入到球磨机内球磨处理后过2000目得稳定增强添加料备用；
（3）碳纤维纸胚体制备：
将碳纤维、步骤（2）制得的稳定增强添加料、分散剂、造孔剂、水对应按照重量比25：4:8:0.5:240进行混合，然后不断搅拌打浆处理2h，最后按照传统的湿法抄纸技术抄造得碳纤维纸胚体备用；
（4）树脂浸渍处理：
对步骤（3）所得的碳纤维纸胚体进行干燥处理后，再用步骤（1）所得的浸渍树脂对碳纤维纸胚体进行浸渍处理；
（5）成品碳纤维纸制备：
对步骤（4）浸渍处理后的碳纤维纸胚体进行3次模压固化工艺处理后，再在氮气保护气氛下进行碳化处理，完成后取出即得成品碳纤维纸。
进一步的，步骤（2）操作a中所述的硅烷偶联剂溶液的质量分数为30%；所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh550；所述超声处理时控制超声波的频率为400kHz。
进一步的，步骤（2）操作d中所述的过硫酸铵水溶液的加入量是操作c所得的混合液B总体积的10%；所述过硫酸铵水溶液的质量分数为15%。
进一步的，步骤（2）操作e中所述的干燥处理时控制真空干燥箱内的温度为80℃，真空度控制为5Pa。
进一步的，步骤（3）中所述的分散剂为石蜡类分散剂；所述的造孔剂为碳酸氢铵。
进一步的，步骤（4）中所述的浸渍处理后控制浸渍树脂在碳纤维纸胚体上的浸渍附着量是碳纤维纸胚体总质量的20%。
进一步的，步骤（5）中所述的碳化处理时控制碳化的温度为1200℃。
实施例2
一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，包括如下步骤：
（1）浸渍树脂制备：
将酚醛树脂、脲醛树脂和萜烯树脂对应按照重量比9:3:1.6进行混合投入到搅拌罐内，然后向搅拌罐内加入其总质量22%的乙酸乙酯，以350转/分钟的转速搅拌处理2.5h后取出得浸渍树脂备用；
（2）稳定增强添加料制备：
a.先将片层石墨烯投入到硅烷偶联剂溶液中浸泡处理28min，期间持续进行超声处理，完成后将片层石墨烯滤出、干燥备用；
b.按对应重量份称取下列物质：52份丙烯腈单体、5份丙烯酸、3份马来酸、2份丙烯酸羟丙酯、3份甲基丙烯酸甲酯、8份十二烷基苯磺酸钠、5份十二烷基三甲基溴化铵、125份水；然后将上述所有物质共同投入到搅拌罐内，高速搅拌均匀后得混合液A备用；
c. 按对应重量份称取下列物质：6份十二烷基磺酸钠、27份苯胺单体、3份壬基酚聚氧乙烯醚、95份水；然后将上述所有物质共同投入到搅拌罐内，高速搅拌均匀后得混合液B备用；
d.将操作b所得的混合液A和操作c所得的混合液B按照体积比1.1:1进行混合投入到反应釜内，不断搅拌处理33min后，再向反应釜内加入过硫酸铵水溶液，以1300转/分钟的转速不断搅拌处理2.5h后，再将操作a处理后的片层石墨烯加入到反应釜内，随后加热保持反应釜内的温度为92℃，并将其内的压力增至0.43MPa，保温保压处理3.5h后将片层石墨烯滤出备用；
e.将操作d所得的片层石墨烯放入到真空干燥箱内干燥处理5.5h后取出，最后再放入到球磨机内球磨处理后过2000目得稳定增强添加料备用；
（3）碳纤维纸胚体制备：
将碳纤维、步骤（2）制得的稳定增强添加料、分散剂、造孔剂、水对应按照重量比27：5:9:0.8:250进行混合，然后不断搅拌打浆处理3h，最后按照传统的湿法抄纸技术抄造得碳纤维纸胚体备用；
（4）树脂浸渍处理：
对步骤（3）所得的碳纤维纸胚体进行干燥处理后，再用步骤（1）所得的浸渍树脂对碳纤维纸胚体进行浸渍处理；
（5）成品碳纤维纸制备：
对步骤（4）浸渍处理后的碳纤维纸胚体进行3次模压固化工艺处理后，再在氮气保护气氛下进行碳化处理，完成后取出即得成品碳纤维纸。
进一步的，步骤（2）操作a中所述的硅烷偶联剂溶液的质量分数为32%；所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh560；所述超声处理时控制超声波的频率为420kHz。
进一步的，步骤（2）操作d中所述的过硫酸铵水溶液的加入量是操作c所得的混合液B总体积的11%；所述过硫酸铵水溶液的质量分数为18%。
进一步的，步骤（2）操作e中所述的干燥处理时控制真空干燥箱内的温度为82℃，真空度控制为8Pa。
进一步的，步骤（3）中所述的分散剂为石蜡类分散剂；所述的造孔剂为碳酸氢铵。
进一步的，步骤（4）中所述的浸渍处理后控制浸渍树脂在碳纤维纸胚体上的浸渍附着量是碳纤维纸胚体总质量的23%。
进一步的，步骤（5）中所述的碳化处理时控制碳化的温度为1500℃。
实施例3
一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，包括如下步骤：
（1）浸渍树脂制备：
将酚醛树脂、脲醛树脂和萜烯树脂对应按照重量比10:4:2进行混合投入到搅拌罐内，然后向搅拌罐内加入其总质量25%的乙酸乙酯，以400转/分钟的转速搅拌处理3h后取出得浸渍树脂备用；
（2）稳定增强添加料制备：
a.先将片层石墨烯投入到硅烷偶联剂溶液中浸泡处理30min，期间持续进行超声处理，完成后将片层石墨烯滤出、干燥备用；
b.按对应重量份称取下列物质：55份丙烯腈单体、6份丙烯酸、4份马来酸、3份丙烯酸羟丙酯、4份甲基丙烯酸甲酯、9份十二烷基苯磺酸钠、6份十二烷基三甲基溴化铵、130份水；然后将上述所有物质共同投入到搅拌罐内，高速搅拌均匀后得混合液A备用；
c. 按对应重量份称取下列物质：7份十二烷基磺酸钠、30份苯胺单体、4份壬基酚聚氧乙烯醚、100份水；然后将上述所有物质共同投入到搅拌罐内，高速搅拌均匀后得混合液B备用；
d.将操作b所得的混合液A和操作c所得的混合液B按照体积比1.2:1进行混合投入到反应釜内，不断搅拌处理35min后，再向反应釜内加入过硫酸铵水溶液，以1400转/分钟的转速不断搅拌处理3h后，再将操作a处理后的片层石墨烯加入到反应釜内，随后加热保持反应釜内的温度为95℃，并将其内的压力增至0.45MPa，保温保压处理4h后将片层石墨烯滤出备用；
e.将操作d所得的片层石墨烯放入到真空干燥箱内干燥处理6h后取出，最后再放入到球磨机内球磨处理后过2000目得稳定增强添加料备用；
（3）碳纤维纸胚体制备：
将碳纤维、步骤（2）制得的稳定增强添加料、分散剂、造孔剂、水对应按照重量比30：6:10:1:260进行混合，然后不断搅拌打浆处理4h，最后按照传统的湿法抄纸技术抄造得碳纤维纸胚体备用；
（4）树脂浸渍处理：
对步骤（3）所得的碳纤维纸胚体进行干燥处理后，再用步骤（1）所得的浸渍树脂对碳纤维纸胚体进行浸渍处理；
（5）成品碳纤维纸制备：
对步骤（4）浸渍处理后的碳纤维纸胚体进行4次模压固化工艺处理后，再在氮气保护气氛下进行碳化处理，完成后取出即得成品碳纤维纸。
进一步的，步骤（2）操作a中所述的硅烷偶联剂溶液的质量分数为35%；所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh570；所述超声处理时控制超声波的频率为440kHz。
进一步的，步骤（2）操作d中所述的过硫酸铵水溶液的加入量是操作c所得的混合液B总体积的12%；所述过硫酸铵水溶液的质量分数为20%。
进一步的，步骤（2）操作e中所述的干燥处理时控制真空干燥箱内的温度为85℃，真空度控制为10Pa。
进一步的，步骤（3）中所述的分散剂为石蜡类分散剂；所述的造孔剂为碳酸氢铵。
进一步的，步骤（4）中所述的浸渍处理后控制浸渍树脂在碳纤维纸胚体上的浸渍附着量是碳纤维纸胚体总质量的25%。
进一步的，步骤（5）中所述的碳化处理时控制碳化的温度为1800℃。
对比实施例1
本对比实施例1与实施例2相比，在步骤（2）稳定增强添加料制备中，省去了操作b及后续对应混合液A成分的使用，除此外的方法步骤均相同。
对比实施例2
本对比实施例2与实施例2相比，在步骤（2）稳定增强添加料制备中，省去了操作c及后续对应混合液B成分的使用，除此外的方法步骤均相同。
对比实施例3
本对比实施例3与实施例2相比，在步骤（3）碳纤维纸胚体制备中，用等质量份的市售片层石墨烯取代步骤（2）制得的稳定增强添加料成分，除此外的方法步骤均相同。
对照组
市售的Toray tgp-h-060碳纤维纸。
为了对比本发明效果，对上述实施例2、对比实施例1、对比实施例2、对比实施例3、对照组对应的碳纤维纸进行性能测试，具体对比数据如下表1所示：
表1
Figure 978268DEST_PATH_IMAGE002
注：上表1中所述的透气度使用高透气度测试仪m380275进行测试；所述的抗张强度使用ZLB-100纸张拉力试验机进行测试；所述的h值用来反映纸张的韧性，具体是将纸张一端固定于桌子边缘，另一端拴上同样重量的砝码，此时测定砝码距地高度，以此来表征纸张的韧性，数值越小韧性越好；所述的平均孔径是采用CEP-100-A毛管流动空隙仪配合电镜观察测试、计算而得。
由上表1可以看出，本发明方法能够明显的提升碳纤维纸张的综合使用品质，有效提高了整体的稳定性和市场竞争力。在实际使用中发现，此碳纤维纸张的使用寿命可延长30%以上，进而很好的延长了电池的稳定性和寿命。

Claims (7)

1.一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）浸渍树脂制备：
将酚醛树脂、脲醛树脂和萜烯树脂对应按照重量比8~10:2~4:1~2进行混合投入到搅拌罐内，然后向搅拌罐内加入其总质量20~25%的乙酸乙酯，以300~400转/分钟的转速搅拌处理2~3h后取出得浸渍树脂备用；
（2）稳定增强添加料制备：
a.先将片层石墨烯投入到硅烷偶联剂溶液中浸泡处理25~30min，期间持续进行超声处理，完成后将片层石墨烯滤出、干燥备用；
b.按对应重量份称取下列物质：50~55份丙烯腈单体、4~6份丙烯酸、2~4份马来酸、1~3份丙烯酸羟丙酯、2~4份甲基丙烯酸甲酯、6~9份十二烷基苯磺酸钠、3~6份十二烷基三甲基溴化铵、120~130份水；然后将操作 b中所有物质共同投入到搅拌罐内，高速搅拌均匀后得混合液A备用；
c. 按对应重量份称取下列物质：4~7份十二烷基磺酸钠、25~30份苯胺单体、2~4份壬基酚聚氧乙烯醚、90~100份水；然后将操作 c中所有物质共同投入到搅拌罐内，高速搅拌均匀后得混合液B备用；
d.将操作b所得的混合液A和操作c所得的混合液B按照体积比1~1.2:1进行混合投入到反应釜内，不断搅拌处理30~35min后，再向反应釜内加入过硫酸铵水溶液，以1200~1400转/分钟的转速不断搅拌处理2~3h后，再将操作a处理后的片层石墨烯加入到反应釜内，随后加热保持反应釜内的温度为90~95℃，并将其内的压力增至0.4~0.45MPa，保温保压处理3~4h后将片层石墨烯滤出备用；
e.将操作d所得的片层石墨烯放入到真空干燥箱内干燥处理5~6h后取出，最后再放入到球磨机内球磨处理后过2000目得稳定增强添加料备用；
（3）碳纤维纸胚体制备：
将碳纤维、步骤（2）制得的稳定增强添加料、分散剂、造孔剂、水对应按照重量比25~30：4~6:8~10:0.5~1:240~260进行混合，然后不断搅拌打浆处理2~4h，最后按照传统的湿法抄纸技术抄造得碳纤维纸胚体备用；
（4）树脂浸渍处理：
对步骤（3）所得的碳纤维纸胚体进行干燥处理后，再用步骤（1）所得的浸渍树脂对碳纤维纸胚体进行浸渍处理；
（5）成品碳纤维纸制备：
对步骤（4）浸渍处理后的碳纤维纸胚体进行3~4次模压固化工艺处理后，再在氮气保护气氛下进行碳化处理，完成后取出即得成品碳纤维纸。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，其特征在于，步骤（2）操作a中所述的硅烷偶联剂溶液的质量分数为30~35%；所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂kh550、硅烷偶联剂kh560、硅烷偶联剂kh570中的任意一种；所述超声处理时控制超声波的频率为400~440kHz。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，其特征在于，步骤（2）操作d中所述的过硫酸铵水溶液的加入量是操作c所得的混合液B总体积的10~12%；所述过硫酸铵水溶液的质量分数为15~20%。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，其特征在于，步骤（2）操作e中所述的干燥处理时控制真空干燥箱内的温度为80~85℃，真空度控制为5~10Pa。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的分散剂为石蜡类分散剂；所述的造孔剂为碳酸氢铵。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，其特征在于，步骤（4）中所述的浸渍处理后控制浸渍树脂在碳纤维纸胚体上的浸渍附着量是碳纤维纸胚体总质量的20~25%。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法，其特征在于，步骤（5）中所述的碳化处理时控制碳化的温度为1200~1800℃。
CN201811255822.9A 2018-10-26 2018-10-26 一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法 Active CN109411769B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811255822.9A CN109411769B (zh) 2018-10-26 2018-10-26 一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811255822.9A CN109411769B (zh) 2018-10-26 2018-10-26 一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109411769A CN109411769A (zh) 2019-03-01
CN109411769B true CN109411769B (zh) 2020-11-17

Family

ID=65470245

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811255822.9A Active CN109411769B (zh) 2018-10-26 2018-10-26 一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109411769B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111900417B (zh) * 2020-07-31 2022-03-29 齐鲁工业大学 一种高碳含量燃料电池气体扩散层用碳纸的制备方法
CN113066996B (zh) * 2021-03-23 2022-03-15 中国科学院化学研究所 一种pem燃料电池、气体扩散层多孔碳纸及其制备方法
CN117638107B (zh) * 2024-01-18 2024-04-09 湖南隆深氢能科技有限公司 一种燃料电池用碳纤维纸的制备方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000103610A (ja) * 1998-09-30 2000-04-11 Showa Denko Kk カーボン粉末及び炭素材料の製造法
CN102719693B (zh) * 2012-06-11 2014-04-16 上海交通大学 石墨烯与碳纳米管混杂增强金属基复合材料及其制备方法
CN102731968B (zh) * 2012-07-24 2013-08-21 广州市博汇新材料科技有限公司 一种低烟阻燃含有环氧树脂的组合物及其制备方法
CN102827386B (zh) * 2012-08-21 2015-02-04 江苏大学 一种聚醚醚酮/氧化石墨烯纳米复合薄膜的制备方法
JP6192019B2 (ja) * 2013-01-31 2017-09-06 三井化学株式会社 リチウム電池およびその製造方法
CN104031202B (zh) * 2014-06-17 2016-05-25 中国科学院化学研究所 聚丙烯酸油墨树脂及其制备方法
CN108441065A (zh) * 2018-01-31 2018-08-24 枞阳县三金颜料有限责任公司 一种耐温树脂涂料的制备工艺

Also Published As

Publication number Publication date
CN109411769A (zh) 2019-03-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107658485B (zh) 质子交换膜燃料电池膜电极及其制备方法
CN109411769B (zh) 一种燃料电池用长寿命碳纤维纸的制备方法
CN101591868B (zh) 用于质子交换膜燃料电池气体扩散层的碳纤维纸的制备
CN103556543B (zh) 一种燃料电池气体扩散层专用高性能碳纸及其制备方法
CN113394409B (zh) 一种具有双微孔层结构的氢燃料电池气体扩散层及其制备方法
CN101771155B (zh) 一种用于质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法
CN105576255B (zh) 一种高功率密度pemfc电堆专用极板制造方法
CN113322713A (zh) 一种梯度孔隙结构碳纸的制备方法
CN101764233B (zh) 一种交联型全氟磺酸离子交换膜及其制备方法
CN111129529B (zh) 共价有机框架材料用于燃料电池自增湿膜电极及其制备方法
CN111900416A (zh) 一种燃料电池气体扩散层用碳纸浸渍树脂的制备方法及其应用
Hung et al. Ultra thin gas diffusion layer development for PEMFC
CN103811778B (zh) 力学性能、导电和导热性好的质子交换膜燃料电池双极板
CN107369838B (zh) 一种用于直接甲醇燃料电池的免热压复合电极及其制备方法
CN111129555A (zh) 一种强韧性高导电型质子交换膜电池用碳纸材料
Shu et al. A novel gas diffusion layer and its application to direct methanol fuel cells
CN207558942U (zh) 一种质子交换膜燃料电池气体扩散层碳纸
CN110600749B (zh) 一种燃料电池一体式扩散层及其制备方法和应用
CN111900417B (zh) 一种高碳含量燃料电池气体扩散层用碳纸的制备方法
CN113506904A (zh) 一种质子交换膜及其制备方法和应用
CN110247065B (zh) 一种燃料电池气体扩散层低成本连续工业化生产工艺
CN113066995B (zh) 一种pem燃料电池、高韧性多孔碳纸及其制备方法
CN112993294A (zh) 一种燃料电池用碳塑复合双极板及其制备与应用
KR20200040423A (ko) 탄소섬유의 디사이징 방법 및 이를 이용한 연료전지용 가스확산층의 제조방법
CN112982023B (zh) 一种高强度薄型化炭纸及制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20201028

Address after: Room 106, C2-2 Building, Linyi Mall, Fuyang City, Anhui Province, 99 Yingdong Road, Zhouping Office, Yingquan District, Fuyang City, 236000

Applicant after: Fuyang Chuangqi Crafts Co.,Ltd.

Address before: 238100 Xihong Village, Juxing Community, Qingxi Town, Hanshan County, Ma'anshan City, Anhui Province

Applicant before: HANSHAN LINGCHUANG NEW MATERIAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20230720

Address after: Room 6241, Building 16, No. 741 Hangzhou Road, Yangpu District, Shanghai 200082

Patentee after: Shanghai Zhonghailong High and New Technology Research Institute

Address before: Room 23699, Yingpeng Road, Fuyang City, Anhui Province

Patentee before: Fuyang Chuangqi Crafts Co.,Ltd.