[发明专利]碳纸及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳纸及其制备方法和应用。所述碳纸包括：所述的方法包括：提供混合浆料，所述混合浆料包含0.1‑2.0mg/mL碳纳米管、0.5‑3.0mg/mL短碳纤维、20‑100mg/mL聚四氟乙烯以及溶剂；将所述混合浆料加入真空过滤装置，静止5‑30min后在压力为0‑0.98Mpa下进行抽滤，从而制得碳纸初成品；将所述碳纸初成品依次进行干燥、热处理，从而制得碳纸。本发明实施例提供的一种通过精确控制条件来制备多功能气体扩散层的新方法，不仅可以大大降低准备气体扩散层的成本，而且能够提电池高性能，在高性能质子交换膜燃料电池中有非常高的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种碳纸，特别涉及一种碳纸及其制备方法和应用，属于纳米碳材料技术领域。

背景技术

气体扩散层(Gas Duffusion Layer简称GDL),是燃料电池中有极为重要的材料之一，在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。大部分商业的燃料电池扩散层主要由基底层和微孔层两个部分构成。基底层多由碳布、碳纸多孔材料构成，厚度约为100-400μm。微孔层一般由碳粉材料构成，主要是平整基底层，增大催化层与质子交换膜(Perfluorosulfonic acid proton exchange membrane)之间的接触面积，减少膜界面之间的欧姆电阻以及电荷传质电阻。如果膜界面之间的欧姆电阻以及电荷传质电阻较大，收集电流的能力会减弱，对电池的内阻过大，放电会造成影响。一个好的扩散层应具有良好的传质、高导电性、良好的催化剂接触面积。

碳纳米管导电性较高，具有柔性并且高导电性的碳材料，广泛的应用在生活和科研领域的各个方面。碳纤维作为最普遍的一种应用在燃料电池碳纸上的材料，它具有导电性，高的化学稳定性，较大直径和长度的优势可以形成高孔隙度的扩散层，将碳纳米管和碳纤维两种材料混合，以碳纤维作为内部框架，碳纳米管作为框架的填充物，可以满足气体扩散层高透气性、高导电性的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纸及其制备方法和应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施案例提供了一种一步法制备具有不同功能层结构的碳纸的方法，其包括：

提供混合浆料，所述混合浆料包含0.1～2.0mg/mL碳纳米管、0.5～3.0mg/mL短碳纤维、20～100mg/mL聚四氟乙烯以及溶剂；

将所述混合浆料加入真空过滤装置，静止5～30min后在为0～0.98Mpa的压力条件下进行抽滤，从而制得碳纸初成品；

将所述碳纸初成品依次进行干燥、热处理，从而制得碳纸。

本发明实施例提供了由所述方法制备的碳纸。

本发明实施例提供了一种碳纸，包括：

第一功能层，主要由无序碳纳米管聚集形成；

第二功能层，主要由质量或体积比为1：3～1：6的碳纳米管和短碳纤维无序聚集形成；

第三功能层，主要由质量或体积比小于1：3的碳纳米管和短碳纤维无序聚集形成；

所述第二功能层分布于第一功能层和第三功能层之间。

本发明实施例提供了所述的碳纸于制备高性能质子交换膜燃料电池中的用途。

本发明实施例提供了一种高性能质子交换膜燃料电池，所述燃料电池的气体扩散层包含所述的碳纸。

与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明实施例提供的一种通过精确控制条件来制备多功能气体扩散层的新方法，不仅可以大大降低准备气体扩散层的成本，而且能够提电池高性能，在PEMFC(高性能质子交换膜燃料电池)中有非常高的应用价值。

附图说明