CN116314863A - 一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用 - Google Patents

一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用 Download PDF

Info

Publication number
CN116314863A
CN116314863A CN202310112303.1A CN202310112303A CN116314863A CN 116314863 A CN116314863 A CN 116314863A CN 202310112303 A CN202310112303 A CN 202310112303A CN 116314863 A CN116314863 A CN 116314863A
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene fiber
carbon paper
woven fabric
hydrophobic
proton exchange
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.)
Pending
Application number
CN202310112303.1A
Other languages
English (en)
Inventor
李航
刘森坪
许震
高超
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.)
Zhejiang University ZJU
Hangzhou Gaoxi Technology Co Ltd
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Hangzhou Gaoxi Technology 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 Zhejiang University ZJU, Hangzhou Gaoxi Technology Co Ltd filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202310112303.1A priority Critical patent/CN116314863A/zh
Publication of CN116314863A publication Critical patent/CN116314863A/zh
Priority to CN202310828462.1A priority patent/CN116856179A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N3/00—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof
    • D06N3/04—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof with macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D06N3/047—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof with macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds with fluoropolymers
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04H—MAKING TEXTILE FABRICS, e.g. FROM FIBRES OR FILAMENTARY MATERIAL; FABRICS MADE BY SUCH PROCESSES OR APPARATUS, e.g. FELTS, NON-WOVEN FABRICS; COTTON-WOOL; WADDING ; NON-WOVEN FABRICS FROM STAPLE FIBRES, FILAMENTS OR YARNS, BONDED WITH AT LEAST ONE WEB-LIKE MATERIAL DURING THEIR CONSOLIDATION
    • D04H1/00—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres
    • D04H1/40—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties
    • D04H1/42—Non-woven fabrics formed wholly or mainly of staple fibres or like relatively short fibres from fleeces or layers composed of fibres without existing or potential cohesive properties characterised by the use of certain kinds of fibres insofar as this use has no preponderant influence on the consolidation of the fleece
    • D04H1/4209—Inorganic fibres
    • D04H1/4242—Carbon fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06C—FINISHING, DRESSING, TENTERING OR STRETCHING TEXTILE FABRICS
    • D06C7/00—Heating or cooling textile fabrics
    • D06C7/04—Carbonising or oxidising
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N3/00—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof
    • D06N3/0002—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof characterised by the substrate
    • D06N3/0011—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof characterised by the substrate using non-woven fabrics
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N3/00—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof
    • D06N3/0002—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof characterised by the substrate
    • D06N3/0015—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof characterised by the substrate using fibres of specified chemical or physical nature, e.g. natural silk
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N3/00—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof
    • D06N3/007—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof characterised by mechanical or physical treatments
    • D06N3/0077—Embossing; Pressing of the surface; Tumbling and crumbling; Cracking; Cooling; Heating, e.g. mirror finish
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N3/00—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof
    • D06N3/12—Artificial leather, oilcloth or other material obtained by covering fibrous webs with macromolecular material, e.g. resins, rubber or derivatives thereof with macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds, e.g. gelatine proteins
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N2201/00—Chemical constitution of the fibres, threads or yarns
    • D06N2201/08—Inorganic fibres
    • D06N2201/087—Carbon fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N2209/00—Properties of the materials
    • D06N2209/04—Properties of the materials having electrical or magnetic properties
    • D06N2209/041—Conductive
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N—WALL, FLOOR, OR LIKE COVERING MATERIALS, e.g. LINOLEUM, OILCLOTH, ARTIFICIAL LEATHER, ROOFING FELT, CONSISTING OF A FIBROUS WEB COATED WITH A LAYER OF MACROMOLECULAR MATERIAL; FLEXIBLE SHEET MATERIAL NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06N2209/00—Properties of the materials
    • D06N2209/14—Properties of the materials having chemical properties
    • D06N2209/142—Hydrophobic
    • 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

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明涉及一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用，一种改性石墨烯纤维无纺布，采用酚醛树脂作为石墨烯纤维无纺布的纤维间结点搭接上浆剂进行改性，获得改性石墨烯纤维无纺布。一种改性石墨烯纤维无纺布在质子交换膜燃料电池中的应用，解决传统商用碳纸表现出较脆、易破碎、电导率差等特性，且单电池长时间工作后，酸性渐增强的水环境和应力松弛等条件会对气体扩散层的碳纤维结构造成破坏，从而使得气体扩散层的传质、导气等性能下降，从而使燃料电池的输出功率密度下降，使用寿命降低的问题。

Description

一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的 应用
技术领域
本发明涉及本发明涉及石墨烯纤维无纺布和质子交换膜燃料电池膜电极领域，具体涉及改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用。
背景技术
燃料电池(fuel cell)是一种能量转换、存储的装置，它以电化学反应的方式将燃料和氧化剂中的化学能转换成电能，不受卡诺循环的限制，具有很高的能量转换效率(40％-60％)，如果充分利用余热，甚至效率可达90％，除此之外还有功率密度高、重量轻、构造简单、可靠性高、启动迅速、耐低温、噪音等级低等优势。如质子交换膜燃料电池即是以氢气或富氢气体作为燃料的燃料电池，具有锂电无法比拟的大容量、低成本、长存储周期等优点，且反应产物为H2O，对解决目前全球所面临的能源短缺和环境污染等两大难题都有极其重要的意义，是便携式应用、发电站、大功率汽车等领域的理想选择。
2004年，英国曼彻斯特大学A.K.Geim教授课题组运用机械剥离法成功制备石墨烯，从结构上说，石墨烯(Graphene)是紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的sp2杂化单层碳原子晶体，层内碳原子以共价键形式连接，具有超高的强度(120GPa)，因此以石墨烯作为源头材料构建特定结构的碳基材料，从而实现碳质功能材料纳米结构的设计和可控以及宏量地制备已经逐渐引起全球科学家的关注。而石墨烯纤维相比传统碳纤维在结构上有更大片径和取向的石墨晶须结构，具有更高强度、高模量、高导电、高导热等特征，引起了国内外学者广泛关注。
质子交换膜燃料电池主要由膜电极和双极板组成，而膜电极主要是由气体扩散层、催化层、质子交换膜三部分构成，燃料电池的电化学反应发生在膜电极中，具体为：(1)外部供应的燃料通过阳极集流板经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层，在催化剂作用下被氧化，燃料分子分解为带正电的离子并释放出带负电的电子，完成阳极反应；(2)离子穿过质子交换膜到达阴极，电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能；(3)在电池另一端，氧气通过阴极集流板经由阴极气体扩散层到达阴极催化剂层，与透过膜的离子和电子反应形成水等产物并产生热量，完成阴极反应；(4)阴极一侧反应生成的水大部分随空气排出，小部分在压力差作用下通过膜向阳极扩散。其中气体扩散层作用为：(1)作为燃料气进入催化层之前的缓冲和扩散层；(2)为电子和反应生成的水提供运输通道；(3)作为膜电极的支撑骨架为质子交换膜和催化剂提供物理支撑。所以这也要求理想的气体扩散层材料满足以下条件：(1)良好的疏水性能；(2)优异的透气性能；(3)良好的导电性；(4)较高的孔隙率；(5)一定的机械强度和柔韧性；(6)优异的电化学稳定性；(7)良好的热传导能力。气体扩散层是气体和水传输的主要场所，其性能的衰退是影响质子交换膜燃料电池使用寿命的重大因素之一。
目前商用气体扩散层使用材料有碳纤维纸、碳纤维编织布和炭黑纸，其中占主导的是碳纸。传统商用碳纸如日本东丽TorayTM060具有良好的疏水性能、机械性能和高孔隙率等，但由于其聚丙烯腈基碳纤维物理搭接的网络结构，整体碳纸表现出较脆、易破碎、电导率差等特性，且单电池长时间工作后，酸性渐增强的水环境和应力松弛等条件会对气体扩散层的碳纤维结构造成破坏，从而使得气体扩散层的传质、导气等性能下降，从而使燃料电池的输出功率密度下降，使用寿命降低。
因此，需要一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用。
发明内容
一种改性石墨烯纤维无纺布，采用酚醛树脂作为石墨烯纤维无纺布的纤维间结点搭接上浆剂进行改性，获得改性石墨烯纤维无纺布。
进一步地，一种改性石墨烯纤维无纺布在质子交换膜燃料电池中的应用，其特征在于，包括如下步骤：
(1)改性石墨烯纤维无纺布通过热压机热压得到石墨烯纤维无纺布复材；
(2)对石墨烯纤维无纺布复材进行2800℃石墨化处理得到石墨烯纤维碳纸；
(3)在聚四氟乙烯乳液中浸渍石墨烯纤维无纺布复材，使石墨烯纤维表面附着聚四氟乙烯疏水层，再经过热处理烧结，去除表面活性剂，得到超疏水石墨烯纤维碳纸；
(4)超疏水石墨烯纤维碳纸作为膜电极的石墨烯纤维碳纸气体扩散层；
(5)石墨烯纤维碳纸气体扩散层作为质子交换膜燃料电池膜电极。
进一步地，所述上浆处理采用酚醛树脂作为上浆剂的质量分数为10％-30％，浸渍温度和时间为50℃浸渍12h；所述热压机采用200℃1MPa热压5min得到石墨烯纤维无纺布复材。
进一步地，对石墨烯纤维无纺布复材进行2800℃石墨化处理得到石墨烯纤维碳纸。
进一步地，在聚四氟乙烯乳液中浸渍石墨烯纤维无纺布复材，使石墨烯纤维表面附着聚四氟乙烯疏水层，再经过热处理烧结，去除表面活性剂，得到超疏水石墨烯纤维碳纸。
进一步地，将质量比1：1的导电炭黑、聚四氟乙烯乳液，分散剂为水和异丙醇，体积比为2-5:1，通过超声的方式分散得到浆液，再把浆液通过喷涂的方式均匀负载在超疏水石墨烯纤维碳纸表面来制备微孔层，厚度为10-40μm，再通过350℃烧结30分钟，得到用于质子交换膜燃料电池的石墨烯纤维碳纸气体扩散层。
进一步地，将石墨烯纤维碳纸气体扩散层负载催化剂的CCM(catalyst coatedmembrane)进行热压复合得到质子交换膜燃料电池膜电极。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本征性能优势：拥有融合纤维网络结构特征的石墨烯纤维复合无纺布碳纸具备高导电率(52000S/m)、高孔隙率(0.85以上)、高密度(0.4g/cm3以上)、高强度等优势；
2、装机性能优势：在燃料电池单电池测试应用中，在相同的条件下，与商用碳纸相比，具有低欧姆极化、高疏水性、高比表面积、高循环稳定性、高耐腐蚀性、自支撑、低成本等性能优势；
3、成本优势：该碳纸是经一步高温实现制备的，不但在性能上超越传统GDL碳纸材料，还缩短了传统GDL的重复高温处理的高成本技术路线。
4、本发明采用石墨烯纤维直接溶液浸渍，不需要太高的浓度。
5、融合纤维+上浆剂促进搭接，三维无规纤维网络之间的搭接；在石墨化处理过程中，由于二维拓扑晶种石墨化效应，石墨烯纤维可诱导上浆剂酚醛树脂石墨化，进而可以获得更规整的石墨结构，从而提升整体碳纸纤维导电网络的导电率。
附图说明
图1是本发明的超疏水石墨烯纤维碳纸外观示意图；
图2是本发明实施例1的超疏水石墨烯纤维碳纸与商用碳纸的伏安特性曲线测试电阻对比图；
图3是本发明实施例1的超疏水石墨烯纤维碳纸单电池IV循环测试性能图；
图4是本发明实施例2的超疏水石墨烯纤维碳纸单电池IV循环测试性能图；
图5是本发明实施例3的超疏水石墨烯纤维碳纸单电池IV循环测试性能图；
图6是本发明实施例4的超疏水石墨烯纤维碳纸单电池IV循环测试性能图；
图7是本发明实施例5的超疏水石墨烯纤维碳纸单电池IV循环测试性能图；
图8是本发明实施例6的超疏水石墨烯纤维碳纸单电池IV循环测试性能图；
图9是本发明实施例7的超疏水石墨烯纤维碳纸单电池IV循环测试性能图；
图10本发明实施例1的超疏水石墨烯纤维碳纸的SEM图；
图11本发明实施例2的超疏水石墨烯纤维碳纸的SEM图；
图12本发明实施例3的超疏水石墨烯纤维碳纸的SEM图；
图13本发明实施例4的超疏水石墨烯纤维碳纸的SEM图；
图14本发明实施例5的超疏水石墨烯纤维碳纸的SEM图；
图15本发明实施例6的超疏水石墨烯纤维碳纸的SEM图；
图16本发明实施例7的超疏水石墨烯纤维碳纸的SEM图；
图17本发明对比例的商用碳纸的SEM图；
图18本发明的(实施例1)石墨烯纤维碳纸的疏水性测试图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
根据本发明的设计方案，改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用，包括以下步骤：
步骤一：对石墨烯纤维无纺布进行酚醛树脂上浆处理，设置不同的酚醛树脂溶液浓度梯度以及浸渍时间和温度来调控石墨烯纤维无纺布纤维的搭接强度和透气率，得到改性石墨烯纤维无纺布，再通过热压机热压得到石墨烯纤维无纺布复材。具体的，酚醛树脂作为上浆剂的质量分数为20％，浸渍温度和时间为50℃浸渍12h，再通过热压机200℃1MPa热压5min得到石墨烯纤维无纺布复材，再进行2800℃石墨化处理即可得到石墨烯纤维碳纸。
步骤二：在聚四氟乙烯乳液中浸渍石墨烯纤维碳纸，使石墨烯纤维表面附着聚四氟乙烯疏水层，再经过热处理烧结，去除表面活性剂，得到具有超疏水石墨烯纤维碳纸。具体的，以1:1的质量比混合导电炭黑、聚四氟乙烯乳液，分散剂为水和异丙醇，水与异丙醇的体积比为2-5:1，通过超声的方式分散，再把浆液通过喷涂的方式均匀负载在超疏水碳纸表面来制备微孔层，厚度为10-40μm，再通过烧结去除表面活性剂，得到用于质子交换膜燃料电池气体扩散层的超疏水石墨烯纤维碳纸。
步骤三：将超疏水石墨烯纤维碳纸与负载催化剂的商用质子交换膜(CCM)进行热压复合得到质子交换膜燃料电池膜电极。具体的，温度150℃，加压0.2MPa，时间90s。
实施例1
(1)将石墨烯纤维无纺布放置于真空烘箱加热70℃并浸渍在质量分数30％的酚醛酚醛树脂溶液浸渍2h，待酚醛树脂充分上浆纤维结点后可得到改性石墨烯纤维无纺布，使用热压机在温度200℃、压力0.5MPa的条件下充分固化得到石墨烯纤维无纺布复材，再进行2800℃石墨化处理即可得到石墨烯纤维碳纸，孔隙率达0.83，如图1所示，面内导电率可达到52000S/m，通过伏安特性曲线测试得到同条件下石墨烯纤维碳纸同商用碳纸的电阻对比，如图2所示，商用碳纸的电阻值为1.53Ω，而石墨烯纤维碳纸的电阻仅为0.79Ω；
(2)对石墨烯纤维碳纸进行疏水处理，将石墨烯纤维碳纸浸渍于质量分数10％的聚四氟乙烯乳液，待保证纤维表面包覆四氟乙烯疏水层且疏水剂质量占原碳纸质量10％后，通过350℃热烧结，去除表面活性剂，可由此得到超疏水石墨烯纤维碳纸，水接触角如图18所示，水接触角可达145°，属于超疏水范围。
(3)将超疏水石墨烯纤维碳纸表面附着微孔层，首先制备微孔层浆料，将导电炭黑和聚四氟乙烯乳液以1:1的质量比分散在水与异丙醇的分散液中，水与异丙醇的体积比为2:1，通过超声均匀分散，再涂覆至碳纸表面，厚度控制在20μm，再通过烧结350℃去除残余浆液，得到石墨烯纤维碳纸气体扩散层。
(4)将制备好的石墨烯纤维碳纸气体扩散层同商用负载催化剂的质子交换膜进行热压，温度150℃，加压0.2MPa，时间90s，制备成完整的新型高性能质子交换膜燃料电池膜电极，将完整膜电极载入测试治具中，在燃料电池测试平，850E上做单电池测试，并测试200ccm气流速度、80℃工作温度、等条件下的伏安特性曲线(IV Curve)(如图3所示，输出功率密度高达1100mW·cm-2)等，并在相同条件下同商用碳纸TGP-H-060做对比，本实施例制备输出功率高30％以上。
实施例2
(1)将石墨烯纤维无纺布放置于真空烘箱加热70℃并浸渍在质量分数20％的酚醛酚醛树脂溶液浸渍2h，待酚醛树脂充分上浆纤维结点后可得到改性石墨烯纤维无纺布，使用热压机在温度200℃、压力0.5MPa的条件下充分固化得到石墨烯纤维无纺布复材，再进行2800℃石墨化处理即可得到石墨烯纤维碳纸，孔隙率达0.85，面内导电率可达到51000S/m；
(2)对石墨烯纤维碳纸进行疏水处理，将石墨烯纤维浸渍于质量分数10％的聚四氟乙烯乳液，待保证纤维表面包覆四氟乙烯疏水层且疏水剂质量占原碳纸质量10％后，通过350℃热烧结，去除表面活性剂，可由此得到超疏水石墨烯纤维碳纸。
(3)将超疏水石墨烯纤维碳纸表面附着微孔层，首先制备微孔层浆料，将导电炭黑和聚四氟乙烯乳液以1:1的质量比分散在水与异丙醇的分散液中，水与异丙醇的体积比为2:1，通过超声均匀分散，再涂覆至碳纸表面，厚度控制在20μm，再通过烧结350℃去除残余浆液，得到石墨烯纤维碳纸气体扩散层。
(4)将制备好的石墨烯纤维碳纸气体扩散层同商用负载催化剂的质子交换膜进行热压，温度150℃，加压0.2MPa，时间90s，制备成完整的新型高性能质子交换膜燃料电池膜电极，将完整膜电极载入测试治具中，在燃料电池测试平，850E上做单电池测试，并测试200ccm气流速度、80℃工作温度等条件下的伏安特性曲线(IV Curve)(如图4所示，输出功率密度高达1098mW·cm-2)等，并在相同条件下同商用碳纸TGP-H-060做对比，本实施例制备输出功率高30％以上。
实施例3
(1)将石墨烯纤维无纺布放置于真空烘箱加热70℃并浸渍在质量分数10％的酚醛酚醛树脂溶液浸渍2h，待酚醛树脂充分上浆纤维结点后可得到改性石墨烯纤维无纺布，使用热压机在温度200℃、压力0.5MPa的条件下充分固化得到石墨烯纤维无纺布复材，再进行2800℃石墨化处理即可得到石墨烯纤维碳纸，孔隙率达0.89，面内导电率可达到49500S/m；
(2)对石墨烯纤维碳纸进行疏水处理，将石墨烯纤维碳纸浸渍于质量分数10％的聚四氟乙烯乳液，待保证纤维表面包覆四氟乙烯疏水层且疏水剂质量占原碳纸质量10％后，通过350℃热烧结，去除表面活性剂，可由此得到超疏水石墨烯纤维碳纸。
(3)将超疏水石墨烯纤维碳纸表面附着微孔层，首先制备微孔层浆料，将导电炭黑和聚四氟乙烯乳液以1:1的质量比分散在水与异丙醇的分散液中，水与异丙醇的体积比为2:1，通过超声均匀分散，再涂覆至碳纸表面，厚度控制在20μm，再通过烧结350℃去除残余浆液，得到石墨烯纤维碳纸气体扩散层。
(4)将制备好的超疏水石墨烯纤维碳纸样品同商用负载催化剂的质子交换膜进行热压，温度150℃，加压0.2MPa，时间90s，制备成完整的新型高性能质子交换膜燃料电池膜电极，将完整膜电极载入测试治具中，在燃料电池测试平，850E上做单电池测试，并测试200ccm气流速度、80℃工作温度等条件下的伏安特性曲线(IV Curve)(如图5所示，输出功率密度高达1099mW·cm-2)等，并在相同条件下同商用碳纸TGP-H-060做对比，本实施例制备输出功率高30％以上
实施例4
(1)将石墨烯纤维无纺布放置于真空烘箱加热70℃并浸渍在质量分数30％的酚醛酚醛树脂溶液浸渍2h，待酚醛树脂充分上浆纤维结点后可得到改性石墨烯纤维无纺布，使用热压机在温度200℃、压力0.5MPa的条件下充分固化得到石墨烯纤维无纺布复材，再进行2800℃石墨化处理即可得到碳纸样品，孔隙率达0.83，面内导电率可达到52000S/m；
(2)对石墨烯纤维碳纸进行疏水处理，将石墨烯纤维碳纸浸渍于质量分数5％的聚四氟乙烯乳液，待保证纤维表面包覆四氟乙烯疏水层且疏水剂质量占原碳纸质量5％后，通过350℃热烧结，去除表面活性剂，可由此得到具有超疏水性质的石墨烯纤维超疏水石墨烯纤维碳纸。
(3)将超疏水石墨烯纤维碳纸表面附着微孔层，首先制备微孔层浆料，将导电炭黑和聚四氟乙烯乳液以1:1的质量比分散在水与异丙醇的分散液中，水与异丙醇的体积比为2:1，通过超声均匀分散，再涂覆至碳纸表面，厚度控制在20μm，再通过烧结350℃去除残余浆液，得到石墨烯纤维碳纸气体扩散层。
(4)将制备好的石墨烯纤维碳纸气体扩散层同商用负载催化剂的质子交换膜进行热压，温度150℃，加压0.2MPa，时间90s，制备成完整的新型高性能质子交换膜燃料电池膜电极，将完整膜电极载入测试治具中，在燃料电池测试平，850E上做单电池测试，并测试200ccm气流速度、80℃工作温度等条件下的伏安特性曲线(IV Curve)(如图6所示，输出功率密度高达1095mW·cm-2)等，并在相同条件下同商用碳纸TGP-H-060做对比，本实施例制备输出功率高30％以上。
实施例5
(1)将石墨烯纤维无纺布放置于真空烘箱加热70℃并浸渍在质量分数30％的酚醛酚醛树脂溶液浸渍2h，待酚醛树脂充分上浆纤维结点后可得到改性石墨烯纤维无纺布，使用热压机在温度200℃、压力0.5MPa的条件下充分固化得到石墨烯纤维无纺布复材，再进行2800℃石墨化处理即可得到石墨烯纤维碳纸，孔隙率达0.83，面内导电率可达到52000S/m；
(2)对石墨烯纤维碳纸进行疏水处理，将石墨烯纤维碳纸浸渍于质量分数1％的聚四氟乙烯乳液，待保证纤维表面包覆四氟乙烯疏水层且疏水剂质量占原碳纸质量1％后，通过350℃热烧结，去除表面活性剂，可由此得到超疏水石墨烯纤维碳纸。
(3)将超疏水石墨烯纤维碳纸表面附着微孔层，首先制备微孔层浆料，将导电炭黑和聚四氟乙烯乳液以1:1的质量比分散在水与异丙醇的分散液中，水与异丙醇的体积比为2:1，通过超声均匀分散，再涂覆至碳纸表面，厚度控制在20μm，再通过烧结350℃去除残余浆液，得到石墨烯纤维碳纸气体扩散层。
(3)将制备好的石墨烯纤维碳纸气体扩散层同商用负载催化剂的质子交换膜进行热压，温度150℃，加压0.2MPa，时间90s，制备成完整的新型高性能质子交换膜燃料电池膜电极，将完整膜电极载入测试治具中，在燃料电池测试平，850E上做单电池测试，并测试200ccm气流速度、80℃工作温度等条件下的伏安特性曲线(IV Curve)(如图7所示，输出功率密度高达1094mW·cm-2)等，并在相同条件下同商用碳纸TGP-H-060做对比，本实施例制备输出功率高30％以上。
实施例6
(1)将石墨烯纤维无纺布放置于真空烘箱加热70℃并浸渍在质量分数30％的酚醛酚醛树脂溶液浸渍2h，待酚醛树脂充分上浆纤维结点后可得到改性石墨烯纤维无纺布，使用热压机在温度200℃、压力0.5MPa的条件下充分固化得到石墨烯纤维无纺布复材，再进行2800℃石墨化处理即可得到石墨烯纤维碳纸，孔隙率达0.83，面内导电率可达到52000S/m；
(2)对石墨烯纤维碳纸进行疏水处理，将石墨烯纤维碳纸浸渍于质量分数1％的聚四氟乙烯乳液，待保证纤维表面包覆四氟乙烯疏水层且疏水剂质量占原碳纸质量1％后，通过350℃热烧结，去除表面活性剂，可由此得到超疏水石墨烯纤维碳纸。
(3)将超疏水石墨烯纤维碳纸表面附着微孔层，首先制备微孔层浆料，将导电炭黑和聚四氟乙烯乳液以1:1的质量比分散在水与异丙醇的分散液中，水与异丙醇的体积比为3:1，通过超声均匀分散，再涂覆至碳纸表面，厚度控制在20μm，再通过烧结350℃去除残余浆液，得到石墨烯纤维碳纸气体扩散层。
(3)将制备好的石墨烯纤维碳纸气体扩散层同商用负载催化剂的质子交换膜进行热压，温度150℃，加压0.2MPa，时间90s，制备成完整的新型高性能质子交换膜燃料电池膜电极，将完整膜电极载入测试治具中，在燃料电池测试平，850E上做单电池测试，并测试200ccm气流速度、80℃工作温度等条件下的伏安特性曲线(IV Curve)(如图8所示，输出功率密度高达1093mW·cm-2)等，并在相同条件下同商用碳纸TGP-H-060做对比，本实施例制备输出功率高30％以上。
实施例7
(1)将石墨烯纤维无纺布放置于真空烘箱加热70℃并浸渍在质量分数30％的酚醛酚醛树脂溶液浸渍2h，待酚醛树脂充分上浆纤维结点后可得到改性石墨烯纤维无纺布，使用热压机在温度200℃、压力0.5MPa的条件下充分固化得到石墨烯纤维无纺布复材，再进行2800℃石墨化处理即可得到石墨烯纤维碳纸，孔隙率达0.83，面内导电率可达到52000S/m；
(2)对石墨烯纤维碳纸进行疏水处理，将石墨烯纤维碳纸浸渍于质量分数1％的聚四氟乙烯乳液，待保证纤维表面包覆四氟乙烯疏水层且疏水剂质量占原碳纸质量1％后，通过350℃热烧结，去除表面活性剂，可由此得到超疏水石墨烯纤维碳纸。
(3)将超疏水石墨烯纤维碳纸表面附着微孔层，首先制备微孔层浆料，将导电炭黑和聚四氟乙烯乳液以1:1的质量比分散在水与异丙醇的分散液中，水与异丙醇的体积比为5:1，通过超声均匀分散，再涂覆至碳纸表面，厚度控制在20μm，再通过烧结350℃去除残余浆液，得到石墨烯纤维碳纸气体扩散层。
(4)将制备好的石墨烯纤维碳纸气体扩散层同商用负载催化剂的质子交换膜进行热压，温度150℃，加压0.2MPa，时间90s，制备成完整的新型高性能质子交换膜燃料电池膜电极，将完整膜电极载入测试治具中，在燃料电池测试平，850E上做单电池测试，并测试200ccm气流速度、80℃工作温度等条件下的伏安特性曲线(IV Curve)(如图9所示，输出功率密度高达1092mW·cm-2)等，并在相同条件下同商用碳纸TGP-H-060做对比，本实施例制备输出功率高30％以上。
对比例
如图10-16所示SEM图可看出实施例1-7石墨烯纤维碳纸的融合石墨烯纤维网络结构，和图17对比例商用碳纸的聚丙烯腈基碳纤维网络。对比例是上浆剂黏接纤维与纤维形成纯物理搭接结构，而本发明的实施例是由酚醛树脂将石墨烯纤维交互融合形成的导电纤维网络，石墨烯纤维相比聚丙烯腈基碳纤维具有更大尺度的石墨晶畴，导电率等性能有很大程度的提升；另外地，石墨烯纤维粗糙褶皱的表面拥有更大的表面积，相比于较光滑表面的商用碳纸的聚丙烯腈基碳纤维在催化剂负载量和负载稳定能力上都有较大程度的提升；除此之外，在石墨化处理过程中，由于二维拓扑晶种石墨化效应，石墨烯可诱导上浆剂酚醛树脂石墨化，从而提升整体碳纸纤维导电网络的导电率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种改性石墨烯纤维无纺布，其特征在于，采用酚醛树脂作为石墨烯纤维无纺布的纤维间结点搭接上浆剂进行改性，获得改性石墨烯纤维无纺布。
2.如权利要求1所述的一种改性石墨烯纤维无纺布在质子交换膜燃料电池中的应用，其特征在于，包括如下步骤：
(1)改性石墨烯纤维无纺布通过热压机热压得到石墨烯纤维无纺布复材；
(2)对石墨烯纤维无纺布复材进行2800℃石墨化处理得到石墨烯纤维碳纸；
(3)在聚四氟乙烯乳液中浸渍石墨烯纤维无纺布复材，使石墨烯纤维表面附着聚四氟乙烯疏水层，再经过热处理烧结，去除表面活性剂，得到超疏水石墨烯纤维碳纸；
(4)超疏水石墨烯纤维碳纸作为膜电极的石墨烯纤维碳纸气体扩散层；
(5)石墨烯纤维碳纸气体扩散层作为质子交换膜燃料电池膜电极。
3.根据权利要求2所述的石墨烯纤维无纺布复材的制备方法，其特征在于，所述上浆处理采用酚醛树脂作为上浆剂的质量分数为10％-30％，浸渍温度和时间为50℃浸渍12h；所述热压机采用200℃1MPa热压5min得到石墨烯纤维无纺布复材。
4.根据权利要求2所述的石墨烯纤维碳纸的制备方法，其特征在于，对石墨烯纤维无纺布复材进行2800℃石墨化处理得到石墨烯纤维碳纸。
5.根据权利要求2所述的超疏水石墨烯纤维碳纸的制备方法，其特征在于，在聚四氟乙烯乳液中浸渍石墨烯纤维无纺布复材，使石墨烯纤维表面附着聚四氟乙烯疏水层，再经过热处理烧结，去除表面活性剂，得到超疏水石墨烯纤维碳纸。
6.根据权利要求2所述的石墨烯纤维碳纸气体扩散层的制备方法，其特征在于，将质量比1：1的导电炭黑、聚四氟乙烯乳液，分散剂为水和异丙醇，体积比为2-5:1，通过超声的方式分散得到浆液，再把浆液通过喷涂的方式均匀负载在超疏水石墨烯纤维碳纸表面来制备微孔层，厚度为10-40μm，再通过350℃烧结30分钟，得到用于质子交换膜燃料电池的石墨烯纤维碳纸气体扩散层。
7.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池膜电极的制备方法，其特征在于，将石墨烯纤维碳纸气体扩散层负载催化剂的CCM(catalyst coated membrane)进行热压复合得到质子交换膜燃料电池膜电极。
CN202310112303.1A 2023-02-14 2023-02-14 一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用 Pending CN116314863A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310112303.1A CN116314863A (zh) 2023-02-14 2023-02-14 一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用
CN202310828462.1A CN116856179A (zh) 2023-02-14 2023-07-07 一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310112303.1A CN116314863A (zh) 2023-02-14 2023-02-14 一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116314863A true CN116314863A (zh) 2023-06-23

Family

ID=86789776

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310112303.1A Pending CN116314863A (zh) 2023-02-14 2023-02-14 一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用
CN202310828462.1A Pending CN116856179A (zh) 2023-02-14 2023-07-07 一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310828462.1A Pending CN116856179A (zh) 2023-02-14 2023-07-07 一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用

Country Status (1)

Country Link
CN (2) CN116314863A (zh)

Also Published As

Publication number Publication date
CN116856179A (zh) 2023-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6154035B2 (ja) 高分子電解質膜の製造方法
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
CN101552342B (zh) 质子交换膜燃料电池双极板与膜电极组件复合制造方法
CN111129555A (zh) 一种强韧性高导电型质子交换膜电池用碳纸材料
CN102456886B (zh) 一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法
CN105680079A (zh) 一种用于燃料电池的层状复合质子交换膜的制备方法
CN112909278B (zh) 一种燃料电池用气体扩散层的制备方法
CN113809336A (zh) 一种碳纤维与石墨烯复合的高强度多孔材料和气体扩散层及其制备方法
CN112332026A (zh) 一种抑制锌枝晶的锌离子电池隔膜及其制备方法
CN101350412A (zh) 用于聚合物电解质膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法
CN207558942U (zh) 一种质子交换膜燃料电池气体扩散层碳纸
CN102230305B (zh) Ctbn改性酚醛树脂增强碳纤维纸强度的工艺
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
CN111146468B (zh) 一种燃料电池气体扩散层的多孔碳膜及其制备方法
CN110600749B (zh) 一种燃料电池一体式扩散层及其制备方法和应用
CN112323510A (zh) 一种连续涂敷低成本制备气体扩散层碳纸的方法
CN109830703B (zh) 一种聚合物基气体扩散层片材及制备方法
KR20200040423A (ko) 탄소섬유의 디사이징 방법 및 이를 이용한 연료전지용 가스확산층의 제조방법
CN115938815A (zh) 一种碳纤维电极、制备方法及应用
CN116314863A (zh) 一种改性石墨烯纤维无纺布及其在质子交换膜燃料电池中的应用
CN113066995B (zh) 一种pem燃料电池、高韧性多孔碳纸及其制备方法
CN112982023B (zh) 一种高强度薄型化炭纸及制备方法
CN113066996B (zh) 一种pem燃料电池、气体扩散层多孔碳纸及其制备方法
JP5336804B2 (ja) 多孔質電極基材、その製造方法、膜−電極接合体、および固体高分子型燃料電池
TWI432378B (zh) 燃料電池、碳材複合結構與其形成方法

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
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20230623

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication