[发明专利]高强度碳化纸及其制备方法与用途

说明书

技术领域

本发明关于一种高强度碳化纸及其制造方法与用途；特定言之，本发明系关于一种可制造供燃料电池中的气体扩散层材料用的碳化纸的方法及由此所提供的碳化纸。

背景技术

近年来，由于能源短缺及地球温室效应等因素，氢供系统的燃料电池(fuel cell)的发展已引起人们的注意。其原因主要在于燃料电池不但没有非充电电池用完即丢弃所导致的环保上的问题，也可免除传统充电电池必需进行耗时充电程序的缺点。此外，燃料电池的排放物(例如水)对环境也没危害。

在各种燃料电池中，质子交换膜燃料电池(proton exchangemembrane fuel cell，PEMFC)与直接甲醇燃料电池(direct methanolfuel cell，DMFC)由于可在低温下操作，又可产生高电流密度，因此被广泛应用于许多领域。举例言之，PEMFC可使用于各种运输工具(如机动车辆、船艇及飞机等)的动力系统，且可作为家用、医院用、以及办公大楼用的联合发电系统的电源；DMFC则因具有系统结构简单、体积能量密度高、启动时间短以及燃料补充方便等优点，因此特别适合作为各种移动式或可携式的动力来源。

以PEMFC为例，其每一个单电池的主要构件系包括膜电极组(membrane-electrode assembly，MEA)以及具有气体流道的双极板(bipolar plates)。MEA通常是由一质子交换膜(一般为高分子膜，作为电解质)、二分别位于该质子交换膜两侧的触媒层、及二分别置于该二触媒层外侧的气体扩散层(另可称为「电极气体扩散层」)所组成。其中，可将触媒直接涂覆于质子交换膜两侧，以形成一经触媒涂覆的质子交换膜，再于该经涂覆质子交换膜两侧各配置一气体扩散层。或者，可将触媒涂覆于二气体扩散层上，再将质子交换膜配置于该二经触媒涂覆的气体扩散层之间，以提供一MEA。该MEA则插入二双极板(通常为石墨材质)之间，再进行外壳的封装，以提供一PEMFC。

有关PEMFC的作用机制，大致为使作为燃料的氢气透过气体扩散层而进入阳极触媒后，藉催化作用而产生氢离子与电子；其中电子经由阳极导至外电路，以形成电流，氢离子则透过质子交换膜抵达阴极触媒。氧气透过另一气体扩散层输入，以与氢离子及自外接电路送来的电子反应生成水，所产生的水则可直接排放至外界环境。

由以上说明可知，气体扩散层具有两项主要功能。第一项功能是藉由本身的多孔结构使得反应气体能够顺利地扩散进入并均匀地分布在触媒层上，以提供最大的电化学反应面积；第二项功能是将阳极催化反应所产生的电子导离阳极，以进入外电路，并同时将外电路来的电子导至阴极触媒层。基于此，气体扩散层必须采用多孔性材质且为电的良导体。此外，为避免气体扩散层的孔洞被液态水分子占据，阻碍反应气体的传送；因此，气体扩散层通常必须先经疏水性处理，让反应气体与必要的水分子蒸气能够顺利到达触媒层。

目前所用的气体扩散层有两种，一是碳布(carbon cloth)，另一则是碳纸(carbon paper)。现有用于燃料电池的气体扩散层的碳纸的制造方法，主要是采湿式造纸法，如美国专利第6,713,034号所教示。概言之，湿式造纸法系先将具约0.5至5毫米的纤维长度的碳纤维或石墨纤维与木浆、纤维素纤维或聚乙烯纤维等材料混合成纸浆，之后透过如JIS P-209方法进行加压及干燥等程序以获得含碳纤维纸张，接着将该纸张含浸于一树脂中，再经过热压、碳化等步骤，最后制得一碳纸。然而，根据上述造纸方式，为使碳纤维可均匀地分散而呈纸状，必须大量使用非导电性材料(如木浆、纤维素纤维、或聚乙烯纤维)，致使所得碳纸的电阻率较高；同时，所制得碳纸的拉张强度亦不尽理想。然而，当在组装电池组(例如包含2至100个单电池)时，使用具有高拉张强度的气体扩散层材料可使组装工程更为顺利。

基于上，本案发明人研究发现，将聚酰胺掺杂于氧化纤维中并制成混纺织物，有利于提供具高强度与高导电性的碳化纸。尤其将所得碳化纸施用于燃料电池作为气体扩散层材料时，该燃料电池可展现良好的功率密度与电流密度。

发明内容

本发明的一目的，在于提供一种制备高强度碳化纸的方法，包含以下步骤：提供一混纺织物，该织物包含氧化纤维及聚酰胺纤维，其中以纤维总量计，该聚酰胺纤维的含量为1至90重量％；于一惰性气体的保护下热处理该混纺织物，其中热处理温度为400至2500℃，热处理时间为5分钟至120小时；含浸该经热处理的织物于一树脂中；热压该经含浸的织物，以得到一织物补强纸；以及碳化该织物补强纸。