[发明专利]一种高导电、高透气率的梯度结构碳纤维纸及其制备方法

说明书

本发明提供一种高导电、高透气率梯度结构碳纤维纸及其制备方法，首先采用聚多巴胺包覆炭素填料，可实现在热固性聚合物树脂(酚醛树脂、呋喃树脂、糠醛树脂及其改性树脂等)的有机溶液中的均匀稳定分散，再采用液相浸渍的方法通过向碳纤维毡片内部引入导电炭素微粒构建不同体密度的炭纸坯体，最后采用多层铺叠方式在层间构建梯度结构。梯度结构碳纤维纸的体积密度为0.32‑0.42g cm^‑3，石墨化度为74％‑84％，表面电阻率为4.5‑5.3mΩ·cm，平均体积电阻率为11‑14mΩ·cm，透气率大于2000ml·mm/(cm²·hr·mmAq)。不同体积密度梯度叠合导致碳纤维纸内部在法向方向上的孔隙率、孔径大小呈梯度变化，孔径过渡平稳。法向方向上密度和孔结构的梯度变化，利于提升碳纸的导电性、透气性和力学性能。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种碳纤维纸及其制备方法。

背景技术

碳纸是质子交换膜燃料电池气体扩散层的关键支撑材料，其孔隙率、孔隙结构和导电性能决定了碳纸担任扩散层基底的物质传输性能。孔隙度不足常导致电极发生水淹和传质极化，电池效率降低；孔隙度过高则碳纤维纸致密性、导电性差，力学行为不足。尽管有复合树脂、添加纳米纤维等各种增密手段，但由于树脂碳化后为硬碳相，结晶性较差，加大了进行石墨化处理的难度，不仅耗费成本，高温引起的内应力还会损害力学性能；其他纳米纤维、植物纤维等的导电性不理想，添加后会对碳纤维纸的传导性能产生损害；该两种方案还会大幅降低碳纤维纸整体的孔隙率，从而造成透气性显著下降。为解决上述矛盾，当前的有效手段通常是在碳纤维纸坯体中加入导电碳素填料，实现碳纤维纸的增密，同时改善电导性和力学性能。

如专利CN 103556543 A、CN 111900416 A，均涉及到导电碳素微粒的添加，其工艺环节主要有：碳纤维、碳纳米纤维等经过分散处理混合为浆料，再利用湿法抄造工艺抄制出碳纤维毡片，经热固性树脂溶液浸渍，得到碳纤维纸前驱体，再经过热压、热处理(碳化、高温石墨化)过程制备出碳纤维纸。

现有技术如专利CN 103556543 A、CN 111900416 A存在的缺陷与不足为：

(1)碳素微粒的引入方式是将其分散于短碳纤维浆料中，经抄纸工艺得到复合有碳素颗粒的碳纤维毡片，由于碳素颗粒表面弱极性，和碳纤维的粘接力差，主要为物理吸附，在湿法抄纸的抽滤压力作用下，碳素颗粒很容易随液流透过网面滤出，导致碳素微粒在形成的碳纤维毡片中的碳纤维骨架上的附着不均匀且负载量偏低，在后续树脂浸渍液的浸渍过程中，负载不牢固的碳素微粒易部分脱落进入溶液而流失，不利于碳纤维纸的增密效果，最终影响碳纤维纸的综合性能。

(2)将碳素微粒混合于树脂浸渍液配制成的碳素-树脂浸渍液，碳素微粒表面惰性，官能团极少，与树脂和溶剂之间的浸润性差，与树脂间的界面粘接力较弱，碳素填料在树脂浸渍液中分散性不佳，无法维持长时间悬浮稳定，短时间内碳素微粒便会从溶液中沉积析出聚集于浸渍液的底部，通过浸渍方式与碳纤维毡片复合时，碳素微粒在碳纸纤维骨架或树脂膜上的分布不均匀、易发生团聚，造成碳纸密度不均匀，严重影响碳纸坯体的浸渍增密效果。

(3)碳纤维纸坯体密度的不均一性，将影响成型碳纸孔径分布和孔径大小的均一性，进而影响碳纸面内和垂直方向的导电性和透气性，最终影响燃料电池的运行稳定性。

发明内容

本发明的主要目的是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种高导电、高透气率梯度结构碳纤维纸及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：