[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

说明书

本发明公开了一种用于燃料电池的高性能碳纸及其制备方法与应用。该方法包括如下步骤：(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。本发明获得的碳纸具有较好的导电性和物理性能，可将其应用于燃料电池领域中。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，特别涉及一种用于燃料电池的高性能碳纸及其制备方法与应用。

背景技术

燃料电池是将燃料中的化学能经过电化学反应直接转化为电能的发电装置，此过程不受卡诺循环限制，具有能量转化效率高，环境友好，较传统发电方式CO₂的排放量少的优点。正是由于这些突出的优点，燃料电池技术被认为是21世纪首选的清洁、高效的发电技术。

质子交换膜燃料电池作为燃料电池研究中的重点和热点，因其质子交换膜的成本高、寿命短而严重限制了燃料电池的实际应用。质子交换膜燃料电池的核心组件分别是：双极板、流道、气体扩散层、催化层、质子交换膜。其中气体扩散层是质子交换膜燃料电池膜组件的重要组成部分之一，主要作用有3个，一是作为燃料气体进入催化层之前的缓冲和扩散层，二是为电子和反应生成的水提供传输通道，三是作为膜电极的支撑骨架为质子交换膜和催化剂提供物理活性位点。其性能特点如下：(1)较高的孔隙率；(2)优异的导电性；(3)良好的疏水性能；(4)一定的机械强度和柔韧性；(5)优异的电化学稳定性；(6)良好的热传导能力。碳纤维具备较高的导电性、高模量、高强度、耐腐蚀等优点，使用碳纤维制备的碳纸是制备燃料电池用气体扩散层的重要基底材料。

授权公告号CN100336972C的专利描述了采用碳纤维和聚乙烯醇粘结剂抄造原纸，经浸渍热固性树脂、热压、炭化、石墨化等后处理制成碳纸的方法；裴浩的硕士论文“燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的研制”中提到了一种预处理后浸渍树脂碳化工艺，使用了浸渍树脂预固化再浸渍一次树脂的方法，后经热压、碳化、石墨化等处理制成了碳纸。以上两种方法均需用到了近2400℃的温度以使碳纸获得更高的石墨化程度。专利申请号CN103556543A中提到了一种用湿法成型、干燥、涂布加工的方法制成燃料电池用的碳纸，此种方法完全省去了对碳纸的热处理较为节能但所制得的碳纸的电阻率较高(电阻率为0.020～0.050Ω·cm)。因此，发明、提供一种生产工艺简单、能耗小，性能优良的碳纸材料对燃料电池行业的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法。

本发明的另一目的在于提供所述方法制备得到的用于燃料电池的高性能碳纸。

本发明的再一目的在于提供所述用于燃料电池的高性能碳纸的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种用于燃料电池的高性能碳纸的制备方法，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(PEO)和聚乙烯醇(PVA)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(NFC)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)中所述的纤维原料占混合浆料I质量的0.1％～0.15％；优选为占混合浆料I质量的0.15％。