[发明专利]一种燃料电池气体扩散层专用碳纤维纸的连续化生产工艺

说明书

本发明公开了一种燃料电池气体扩散层专用碳纤维纸的连续化生产工艺，属于导电性材料制备方法技术领域，包含以下步骤：将短切碳纤维经过气流成网梳理机制得疏松碳纤维纸，然后使用高压喷射装置在垂直方向上射入碳粉固定，浸入树脂、有机溶剂的混合浆料，烘干，经过轧机控制厚度，最后经过高温烧结、碳化，得到符合要求的气体扩散层专用的碳纤维纸。本发明生产的碳纤维纸，具有较好的导电导热能力，以及较高的机械性能，完全满足燃料电池气体扩散层的技术要求，且该工艺可实现低成本的连续化生产，每条产线年产量可达5万平米。

技术领域

本发明属于导电性材料制备方法技术领域，具体涉及一种燃料电池气体扩散层专用碳纤维纸的连续化生产工艺。

背景技术

燃料电池是一种新型的无污染、高效率汽车、游艇的动力和发电设备，在本质上是一种能量转化装置。质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种重要形式，它以氢气为燃料，以氧气或空气为氧化剂，由于其具有较高的能量转化效率(40～60％)、对环境友好、启动速度快、工作寿命长等优点。

气体扩散层起到支撑催化层、传导电子、提供气体通道和排出水等多重作用，实现了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配，是影响电极性能的关键部件之一。所以，要改善电极的综合性能，必须选用高性能的材料。

在质子交换膜燃料电池电极中，碳纤维纸是气体扩散层的常用材料，主要是因为它不仅具有均匀的多孔薄层结构，良好的孔隙率和透气性，而且主要原料为可石墨化的碳纤维，具备了优异的导电性、化学稳定性和热稳定性。

目前，燃料电池气体扩散层的市场几乎全部由国外的公司占领，国内虽已有相关公司可以进行导电涂层的工业化生产，但原料碳纤维纸仍依赖进口。

近年来国内外较多研究单位积极投入碳纤维纸的研发，例如，华飞果在“一种碳纤维纸抄造工艺”(申请号：201811449977.6)中提出一种使用碳纤维、水溶性纤维和植物纤维混合制备碳纤维纸的工艺。该方法可制得强度较高的碳纤维原纸，但三种纤维均匀分散工艺较为困难，难以实现连续化生产。龙云峰在“一种导电碳纤维纸的制备方法”(申请号：201910416478.5)中提出一种使用聚烯腈基碳纤维，经氢氧化钠处理，菌液发酵，改性酚醛树脂混合后，抄造成型，干燥，炭化制备具有优异力学性能和导电性能的碳纤维纸的方法。该方法过程较为繁琐，难以实现工业化生产。吴同舜在“一种燃料电池气体扩散层低成本连续工业化生产工艺”(申请号：201910615722.0)中提出一种在较高车速下制备出厚度较薄的碳纤维原纸，然后用胶浆粘合反复叠层工艺制备碳纤维原纸的方法。该方法虽然可以在较高车速下生产碳纤维原纸，但厚度较难控制，且叠层间的胶黏剂严重影响成品碳纤维纸的透气性。

发明内容

本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种燃料电池气体扩散层专用碳纤维纸的连续化生产工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种燃料电池气体扩散层专用碳纤维纸的连续化生产工艺，包括以下步骤：

步骤一：将短切碳纤维放入气流成网梳理机，制得疏松的碳纤维纸；

步骤二：使用高压喷射装置将碳粉在垂直方向射进上一步制得的碳纤维纸中，使纤维相互交叉而缠结成网，同时增加其导电性；

步骤三：使用漏网将树脂-溶剂混合浆料淋到上一步制得的碳纤维纸上，使碳纤维纸充分浸渍浆料，并设有浆料回收槽，未被碳纤维纸吸收的浆料可被回收利用；

步骤四：将浸渍有树脂的碳纤维纸在150～200℃下烘干，进行预固化处理，然后通过轧机，制备出接近需求厚度和重量的半成品碳纸；

步骤五：将目标厚度的碳纤维纸经过1100～2000℃烧结、碳化后，制备成碳纤维纸产品。

进一步地，步骤一中使用气流成网梳理工艺制备碳纤维纸。