[发明专利]一种疏水改性碳纤维纸及其制备方法和应用

说明书

本发明属于燃料电池气体扩散层技术领域，本发明提供了一种疏水改性碳纤维纸及其制备方法，将聚丙烯腈基短切纤维原丝和表面活性剂混合后顺次经湿法造纸、预氧化、树脂溶液浸渍、干燥处理，得到聚丙烯腈基碳纤维原纸；将丙烯腈‑N‑乙烯基甲酰胺共聚物溶液顺次进行溶胀、搅拌和脱泡，得到前驱体溶液；将前驱体溶液通过静电纺丝电纺在聚丙烯腈基碳纤维原纸上，顺次进行热压固化、碳化和石墨化，得到疏水改性碳纤维纸。本发明还提供了一种疏水改性碳纤维纸的应用。本发明拓展了质子交换膜燃料电池气体扩散层用碳纸的制备工艺，实现导电性、疏水性和透气性的精确控制，使其在PEMFC中具有良好效果，为实际工业化生产碳纸提供新的设计思路。

技术领域

本发明涉及燃料电池气体扩散层技术领域，尤其涉及一种疏水改性碳纤维纸及其制备方法和应用。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接将化学能转化为电能的发电装置，具有高功率密度、高能量转换率、低温启动、无污染等优点。气体扩散层作为PEMFC中的关键部件，通常由基底层和微孔层组成，通常基底层材料为碳纤维纸，主要起到支撑微孔层、催化、排水和排气的作用，因此用于PEMFC的碳纸需要具备很高的孔隙率、导电性和疏水性能。

传统的疏水改性碳纸的方法主要是浸渍法，即将碳纸浸泡在一定浓度的疏水剂溶液中经取出、晾干、煅烧处理得到。然而，疏水剂的加入会影响碳纸的孔隙率，严重影响气体、水蒸气的传输速率；此外，由于碳纸表面本身的化学惰性，碳纸与疏水剂的亲和力差，界面结合强度低，也大大限制了疏水改性的效果。目前，疏水剂通常采用聚四氟乙烯乳液、聚甲基硅氧烷等高分子材料，由于这些疏水剂自身导电性差，在使用的过程中也会严重降低碳纸的导电性。

因此，研究得到一种兼顾优异的透气性、导电性能和疏水性能，且工艺简单的疏水改性碳纸的方法对燃料电池的发展有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种疏水改性碳纤维纸及其制备方法和应用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种疏水改性碳纤维纸的制备方法，包含以下步骤：

1)将丙烯腈-N-乙烯基甲酰胺共聚物通过干喷湿法制备聚丙烯腈基原丝，经短切处理得到聚丙烯腈基短切纤维原丝；

2)将聚丙烯腈基短切纤维原丝和表面活性剂溶液混合后顺次经湿法造纸、预氧化、树脂溶液浸渍、干燥处理，得到聚丙烯腈基碳纤维原纸；

3)将丙烯腈-N-乙烯基甲酰胺共聚物和溶剂混合得到溶液，溶液顺次进行溶胀、搅拌和脱泡，得到前驱体溶液；

4)将前驱体溶液通过静电纺丝电纺在聚丙烯腈基碳纤维原纸上，顺次进行热压固化、碳化和石墨化，得到疏水改性碳纤维纸。

作为优选，步骤1)所述聚丙烯腈基短切纤维原丝的长度为7～26mm，直径为4～10μm，取向度≥92％。

作为优选，步骤2)所述表面活性剂包含聚氧化乙烯、羟甲基纤维素和聚丙烯酰胺中的一种或几种，表面活性剂溶液的质量浓度为0.05～0.3％；所述干燥处理的温度为50～100℃，干燥处理的时间为30～60min。

作为优选，步骤2)所述预氧化的具体工艺为湿法造纸得到的纸张顺次在170～210℃预氧化10～20min、240～280℃预氧化20～80min、300～330℃预氧化30～50min；

由室温升温至170～210℃的升温速率为3～7℃/min，由170～210℃升温至240～280℃的升温速率为0.5～3℃/min，由240～280℃升温至300～330℃的升温速率为5～10℃/min。

作为优选，步骤2)中，树脂溶液的质量浓度为5～20％，树脂溶液浸渍的时间为10～40min；树脂溶液中，树脂为硼酚醛树脂，溶剂为甲醇和/或乙醇。