[发明专利]一种用于燃料电池的高性能碳纸及其制备方法与应用

权利要求书

1.一种用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将纤维原料加入到水中搅拌混合均匀，得到混合浆料I；然后依次将表面活性剂、聚氧化乙烯和聚乙烯醇溶液加入到混合浆料I中，搅拌均匀，得到混合浆料II；再将混合浆料II抄造成湿纸幅，干燥，得到碳纸前驱体；其中，纤维原料包括粘胶纤维、纤维素纳米纤丝和碳纤维；

(2)将步骤(1)中得到的碳纸前驱体浸渍于改性酚醛树脂的乙醇溶液中，烘干，并在其表面涂布疏水涂料，再进行热压和热处理，得到用于燃料电池的高性能碳纸；其中，所述的改性酚醛树脂为碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂；所述的热处理的条件为：1400～1600℃热处理6～8h；

步骤(1)中所述的纤维原料包括如下按质量分数计的组分：粘胶纤维10～15份，碳纤维83～88份，纤维素纳米纤丝1～2份；

步骤(2)中所述的碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂通过如下方法制备得到：

(a)将苯酚、硼酸和醋酸混合后在100～120℃的条件下反应5～6h，然后升温至140～150℃保温30min～40min，再降温至65℃以下、加入腰果酚与多聚甲醛，升温至100～110℃反应30～45min，得到硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂；

(b)将酸化碳纳米管加入到硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂中，超声分散均匀，得到碳纳米管、硼酸-腰果酚改性酚醛树脂；

步骤(b)中所述的酸化碳纳米管的用量占硼酸-腰果酚改性的酚醛树脂的质量的0.5％～1％。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于，步骤(b)中所述的酸化碳纳米管通过如下方法制备得到：

将碳纳米管加入到混酸溶液中，加热至110～120℃保温5～6h，再用水清洗干净，得到酸化碳纳米管；其中混酸溶液为浓硫酸与浓硝酸按质量比3:1混合得到的溶液；

所述的碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为10～20nm，长度为10～30μm；

所述的浓硫酸为质量分数98％的浓硫酸；

所述的浓硝酸为质量分数68％的浓硝酸；

所述的碳纳米管的用量为占混酸溶液质量的2～2.5％。

3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于：

步骤(a)中所述的苯酚、硼酸、醋酸、腰果酚和多聚甲醛的质量比为40～60：10～25：1～5：10～30：20～60；

步骤(a)中所述的反应为搅拌反应，其转速为200～400rpm；

步骤(b)中所述的超声的条件为：40KHZ超声20～30min。

4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于：

步骤(1)中所述的碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和/或沥青基碳纤维，长度为5～6mm、电阻率为0.001～0.01Ω·cm；

步骤(1)中所述的粘胶纤维的长度为3～5mm；

步骤(1)中所述的表面活性剂为吐温-80、土耳其红油和油酸甘油酯中的一种或其组合；

步骤(2)中所述的疏水涂料为聚四氟乙烯和环氧树脂中的一种或两种。

5.根据权利要求1所述的用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，其特征在于：

步骤(1)中所述的纤维原料占混合浆料I质量的0.1％～0.15％；

步骤(1)中所述的表面活性剂的添加量为占混合浆料II质量的0.02～0.05％；

步骤(1)中所述的聚氧化乙烯的添加量为占混合浆料II质量的0.1～0.2％；

步骤(1)中所述的聚乙烯醇溶液的浓度为质量百分比10％；

步骤(1)中所述的聚乙烯醇溶液的添加量为占混合浆料II质量的0.1～0.15％；

步骤(2)中所述的改性酚醛树脂的乙醇溶液的浓度为质量百分比8％～15％。