[发明专利]一种强韧性高导电型质子交换膜电池用碳纸材料

说明书

本发明涉及一种强韧性高导电型质子交换膜电池用碳纸材料，属于碳纸材料技术领域。本发明利用高锰酸钾和浓硫酸之间的恒温液相氧化还原反应，将纳米二氧化锰材料有效负载至碳纸材料表面，同时在其表面有效包覆聚二甲基硅氧烷并通过氢氟酸刻蚀交联后的聚二甲基硅氧烷，有效刻蚀聚二甲基硅氧烷材料并使其出现孔洞保证电流材料的传导，同时该技术方案有效包覆并改善材料结构，通过化学氧化还原法在碳纸基体上制备一层超薄的纳米MnO₂纳米薄膜，这样可以大大提高MnO₂薄膜电极的比表面积，从而增大双电层容量，充分发挥MnO₂材料的电化学性能，功率性能，并且提高其利用率，同时包覆改性的聚二甲基硅氧烷有效改性材料韧性强度，改善材料的力学性能。

技术领域

本发明涉及一种强韧性高导电型质子交换膜电池用碳纸材料，属于碳纸材料技术领域。

背景技术

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成为电能的装置。与传统能源相比，燃料电池在反应过程中不涉及到燃烧，因而能量转换效率不受卡诺循环的限制，具有高效、洁净等显著特点。质子交换膜燃料电池（PEMFC）不但具有燃料电池的一般特点，还具有能量转换效率高、环境友好、比能量高（相对于电池）、操作温度低、启动快的特点，可广泛应用于汽车、电站、移动电源等领域。

PEMFC是燃料电池家族中发展最成熟，最接近于商业应用的燃料电池。它的基本构件包括：双极板、气体扩散层、催化剂层和质子交换膜。双极板的作用是在电池堆中隔离每个单电池，并通过其上的通道向气体扩散层输送燃料和氧气，与此同时，还要具有较高的导电性能，从而能够向外界导出电流。气体扩散层、催化剂层和质子交换膜构成了膜电极结构（EMA）。

气体扩散层通常由基底层和微孔层组成。基底材料层通常选用多孔的碳纸、碳布，其厚度约为100-400um。主要起支撑微孔层和催化层的作用。不同类型基底层具有不同的厚度、孔隙度和表面电阻，直接影响扩散层的透气性和导电性。

气体扩散层是质子交换膜燃料电池中的重要组件，起到支撑催化剂层的作用，也是反应气体和生成物水的通道。气体扩散层还要具备良好的导电性能及在电化学反应下的抗腐蚀能力。气体扩散层已经发展了很多年，人们对气体扩散层的作用有了比较全面的认识，并给出了对气体扩散层的要求：

（1）支撑催化剂层的作用。

（2）传输气体和水的通道作用。

（3）传导电子的作用。

（4）热的传输和分配作用。

（5）较强的耐化学腐蚀和耐电化学腐蚀的能力。

经过多年的研究与发展，目前成熟应用于燃料电池上的气体扩散层用材料为碳材料。碳材料兼顾较高的导电性和较强的抗电腐蚀性能，且成本较低，这是其他材料所不具备的优点。但是碳材料性质较脆，不利于成型加工，对其微观结构的控制也是比较大的难点。

PEMFC电极中的几种主要气体扩散层材料包括碳纸、碳纤维编织布、非织造布和碳黑纸等，它们都具有各自的优缺点。

在PEMFC电极中气体扩散层基底材料大多使用碳纸，它不仅具有均匀的多孔结构，而且由于主要原料使用碳纤维，因此它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。通常碳纤维可选用聚丙烯腈基、沥青基、纤维素基碳纤维中的任何一种，纤维直径最好是5-20um，长度最好是5-20mm。碳纸的缺点是呈机械脆性，强度方面需要改善。目前常见的碳纤维制备方法是是将粘结剂和短纤维混合抄纸造纸，经过浸渍、模压、碳化以及石墨化得到碳纸。