[发明专利]湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸及其制备方法

说明书

本发明公开了一种湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸及其制备方法。制备方法主要有制浆、合浆、顺流式上网和喷浆式上网复合抄造、干燥、热压等步骤构成，通过添加粘接纤维提高所制得碳纤维纸的机械性能，合浆时通过添加碳纳米管、石墨烯、活性炭。制备的碳纤维纸包括顺流式上网抄造的基纸底层及喷浆式上网抄造的基纸表层，基纸表层内含有石墨烯、碳纳米管、活性炭。本发明制得的碳纤维纸具备多孔结构、优异的造气性、低电阻和高电导，可为电极反应提供气体、电子、排水通道；具有一定的机械强度、化学稳定性、热稳定性、导热性、气体分散、匀质特性；具有大比表面积，可吸附有害气体，缓冲体系反应，避免高温处理后的不稳定。

技术领域

本发明涉及质子交换膜用多孔介质扩散层，具体涉及一种湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸方法。

背景技术

燃料电池是一种非燃烧过程的电化学能转换装置，一般是将氢气甲醇等燃料和氧气等氧化剂通过氧化还原反应，将化学能连续不断地转换为电能，是一种不需要经过卡诺循环的电化学发电装置。因此燃料电池的效率可以达到90％以上，远远超过普通内燃机。

燃料电池使用的燃料不是化石燃料等不可再生资源，而是氢气、甲醇等的可再生能源。使得人类的能源获取不在受制于地质条件。当燃料电池以纯氢气为燃料时，其化学反应产物仅为水，从根本上消除了CO、NOx、SOx以及粉尘等大气污染物的排放。

燃料电池兼具电池和热机的特点，具有能量转化效率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振动和噪声等级低等特点。在能量转换过程中，几乎不产生污染环境的含氮和硫氧化物，燃料电池还被认为是一种环境友好的能量转换装置。由于具有这些优异性，燃料电池技术被认为是21世纪新型环保高效的发电技术之一。

质子交换膜燃料电池电极由多孔的扩散层、催化剂层和质子交换膜组成。燃料气体经过阳极扩散层分布、润湿后到达催化剂层，在催化剂的作用下发生电极反应。气体扩散层在燃料电池中不仅起到支撑催化剂层、收集电流、稳定电极结构的作用，还有传导、分布气体和排出反应产物水的重要作用。

碳纤维纸是一种广泛应用于质子交换膜燃料电池电极中的气体扩散层材料，它不仅具有均匀的多孔质薄层结构，而且由于主要原料使用石墨化碳纤维，使得它具备优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。高性能的气体扩散层材料有利于改善电极的综合性能，燃料电池使用的碳纤维纸必须满足以下要求：

(1)均匀的多孔质结构，透气性能好；

(2)电阻率低，电子传导能力强；

(3)结构紧密且表面平整，以减小接触电阻，提高导电性能；

(4)具有一定的机械强度，适当的刚性与柔性，利于电极的制作；

(5)适当的亲水/憎水平衡，防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降；

(6)具有化学稳定性和热稳定性。

当前的燃料电池气体扩散层一般采用碳纤维纸、纺织纤维然后碳化、石墨化的方法，难以低成本、大规模、高稳定的生产。目前，应用广泛的碳纤维纸不能够很好的兼顾碳纤维纸的透气率和力学强度，脆性大、缺乏柔性，在膜电极制备及燃料电池装配过程中容易发生破坏，表面光洁度低，短切碳纤维容易剥离以及生产成本高等缺点。此外，当前的制备工艺难以与诸如碳纳米管、石墨烯、活性炭等高性能材料复合，从而不利于优化燃料电池的结构和提高燃料电池的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有碳纤维纸不能够很好的兼顾碳纤维纸的透气率和力学强度，脆性大、缺乏柔性，在膜电极制备及燃料电池装配过程中容易发生破坏，表面光洁度低，短切碳纤维容易剥离以及生产成本高等问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种湿法抄造燃料电池电极气体扩散层碳纤维纸的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤：