[发明专利]炭纤维纸、由该炭纤维原纸制成的柔性可卷曲的炭纸及其制备方法和系统

说明书

本申请公开了一种柔性可卷曲的炭纸，所述炭纸的厚度为0.15～0.25mm，体积密度为0.20～0.45g/cmsupgt;3/supgt;，孔隙率为70～90％；柔性强度为20～60Mpa，弯曲程度为60～180°；面电阻率≤100mΩ·cm；热导率≥0.8W/(m·K)。本申请还公开了其自身及其中间体的加工工艺及相关的加工系统。

技术领域

本发明涉及高性能炭纸的制备技术领域，尤其涉及一种满足不同流体扩散要求的燃料电池用炭纸及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点，在能源和节能技术领域具有广泛的应用。炭纸是料电池核心部件气体扩散层的基体部分，担负起支撑催化剂、透气和排水、集流体的作用，因此其质量直接涉及到燃料电池的性能。目前国际上炭纸产品主要是片状炭纤维纸，仅有日本东丽公司推出一款炭纤维纸卷材。相对于炭纤维纸卷材，片状炭纤维纸因薄且脆而不利于后续微孔扩散层的连续化生产。目前制备炭纸的方法通常采用湿法抄纸工艺结合液态热固性树脂浸渍-炭化工艺制备，这种制备方法和制造出的产品存在制备周期长、耗能大、环境污染等问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种柔性可卷曲的炭纸及其制备方法。本发明比常规炭纤维纸制备技术更环保、工艺更简化、成本更低，有利于后续微孔扩散层连续化生产。

本申请的一些实施例提供了一种柔性可卷曲的炭纸，所述炭纸的厚度为0.15～0.25mm，体积密度为0.2～0.45g/cm³，孔隙率为70～90％；柔性强度为20～60Mpa，弯曲程度为60～180°；面电阻率≤100mΩ·cm；热导率≥0.8W/(m·K)。

本申请的另一些实施例提供了一种柔性可卷曲的炭纸的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)炭纤维配型；

(2)采用非织造工艺制备炭纤维无纺纸页；

(3)多层炭纤维无纺纸页表面覆膜形成炭纤维纸；

(4)连续热处理，最终制得所述柔性可卷曲炭纸。

在一些实施例中，其中，步骤(1)中所述炭纤维配型方法为：将炭纤维短切成长度为25～100mm的长纤维和1～20mm的短纤维，控制长纤维和短纤维的质量比为3:1～1:3。

其中，步骤(2)中所述炭纤维无纺纸页的制备方法包括如下步骤：

①利用双辊纤维开松机分别对长纤维和短纤维炭纤维进行开松，利用空气为分散介质，采用高速回转的辊筒，将纤维原料分散为单根纤维状态；

②将上述两种纤维通过气流输纤机同时带入混纤机，通过气流对长纤维和短纤维进行混合，随后引入气流梳理机中对炭纤维进一步梳理，通过成网工艺，形成炭纤维无纺纸页。

步骤(2)①中所述长纤维开松用辊筒的转速为4000～7500转/分钟；所述短纤维开松用辊筒的转速为2000～3000转/分钟；

步骤(2)②所述气流传输纤机与气流梳理机采用压缩空气为介质，长纤维气流传输纤机气体流速为25～45m/s，短纤维气流传输纤机气体流速为5～20m/s，气流梳理机气体流速为15～35m/s；

步骤(2)②所述炭纤维无纺纸页的面密度为10～30g/m2；

步骤(3)中所述表面覆膜的过程为：将一层热塑性树脂膜(A)、一层炭纤维无纺纸页(B)叠层后，采用自动覆膜机在100～220℃热压形成炭纤维纸；

所述热塑性树脂膜为：热塑性酚醛树脂膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜中的一种或多种；所述树脂膜的厚度为0.01～0.1mm；