技术摘要：
本发明属于导电性材料制备方法技术领域，具体涉及一种导电性炭纸及其制备方法。本发明导电性炭纸由2～10层孔隙率为10～80％的单层碳纤维纸构成，其中最外侧一面的单层碳纤维纸的孔隙率记为A，另一面最外侧的单层碳纤维纸的孔隙率记为B，其中A、B单位为％，导电性炭纸的 全部
背景技术：
质子交换膜氢燃料电池的气体扩散层需同时具有集电、气体传输、气流分配等功 能。由此，构成气体扩散层的碳纤维纸层材料中，要求同时具有高导电性、高气体扩散性、高 气体分配性等性能。 作为质子交换膜燃料电池的气体扩散层用炭纸，日本公开特许专利第6-20710号 公报记载，将短切碳纤维随机分散形成碳纤维纸，并进而由炭素材料结合起来，形成具有多 孔质结构的碳纤维纸材料。然而，该碳纤维纸材料难以显著体现出对气流分配的能力。 另一方面，作为质子交换膜燃料电池的气体扩散层用炭纸，其一面与具有气体传 输流路的双极板相结合，另一面与催化剂层相结合。因此，作为燃料电池用气体扩散层的导 电基材，除了上述要求的导电性、气体透过性、气体分配性等之外，还要求与催化剂层具有 良好的的结合性。然而，传统的电极基材中，为了提高气体传输性能，炭纸的孔隙率提高，使 得炭纸表面变得粗糙，与催化剂层的结合不良。
技术实现要素：
针对上述问题本发明提供了一种导电性炭纸及其制备方法。 为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案： 一种导电性炭纸，所述导电性炭纸由2～10层孔隙率为10～80％的单层碳纤维纸 构成，其中最外侧一面的单层碳纤维纸的孔隙率记为A，另一面最外侧的单层碳纤维纸的孔 隙率记为B，其中A、B单位为％，导电性炭纸的总厚度记为L，其中L单位为μm，三者须符合如 下关系：0.2≤│A-B│/L≤0.8。当│A-B│/L大于0.8时，由于炭纸两面的孔隙率差异过大，导致 炭纸至少一面的平整度降低；当│A-B│/L小于0.2时，炭纸两面的孔隙率差异过小，无法发挥 梯度分配气流的作用。 进一步，所述导电性炭纸为非对称的多孔质结构炭纸，导电性炭纸孔隙率高的一 面用于与双极板接触，孔隙率低的一面用于与催化剂层接触且在其表面设有微孔层；炭纸 按照从孔隙率从小到大或者从大到小的顺序依次排布。在使用时将孔隙率最大的一面与双 极板相接触，保证气流在从大孔向小孔过渡的过程中实现气流的逐步均匀分配；将孔隙率 最小的一面与催化剂层相接触，保证与催化剂层结合紧密。如果孔隙率不按从大到小或从 小到大的顺序排列，将出现气流发生紊乱流动的现象。 再进一步，所述微孔层是聚四氟乙烯与炭素粒子的混合物。聚四氟乙烯使得微孔 层总体上疏水性增强，有利于反应生成水的排放；而炭素粒子的加入使得微孔层的导电性 提高，有利于电子传输。 一种导电性炭纸的制备方法，包括以下步骤： 3 CN 111576079 A 说 明 书 2/6 页 步骤1，将含有分散剂、短切碳纤维和纳米碳纤维的混合物置于水中，打浆使得短 切碳纤维和纳米碳纤维分散均匀，形成悬浮液； 步骤2，采用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行制备，形成碳纤维原纸； 步骤3，将碳纤维原纸浸渍粘结剂，并烘干； 步骤4，将浸渍粘结剂烘干并经过热压的碳纤维原纸进行炭化，得到导电性炭纸。 进一步，所述步骤1中短切碳纤维的直径为2μm～15μm，长度为1mm～30mm。如短切 碳纤维的直径小于2μm，将造成工艺过程复杂，导致生产成本增加；如短切碳纤维的直径大 于15μm，将难以稳定制造。如短切碳纤维的长度小于1mm，将造成切丝过程的成本增加，而如 短切碳纤维的长度超过30mm，将导致短切碳纤维难以均匀分散。 进一步，所述步骤1中纳米碳纤维的直径为20nm～200nm，长度为0.5μm～500μm。如 纳米碳纤维的直径小于20nm，将造成抄纸过程中物料损失严重；如纳米碳纤维的直径超过 200nm，将造成生产成本过高。如纳米碳纤维的长度小于0.5μm，将造成抄纸过程中物料流失 严重；如纳米碳纤维的长度超过500μm，将造成抄纸过程中分散困难。 进一步，所述步骤1中分散剂是：十二烷基苯磺酸钠、酰基羟乙基磺酸钠、多聚磷酸 酯、聚丙烯酸钠、N-烷基三甲基氯化铵、聚氧乙烯胺、聚乙烯亚胺、聚氧乙烯烷基酚、聚氧乙 烯酯、聚乙烯醇、丙三醇、聚氧乙烯、聚丙烯酰胺、脂肪族聚氧乙烯醚、羧甲基纤维素、N-烷基 甜菜碱、N-烷基氨基酸、咪唑啉羧酸盐中的一种或两种以上任意比例的混合物，主要作用是 将短碳纤维进行均匀分散，使得可通过湿法抄纸工艺制成厚度均一的碳纤维纸。 进一步，所述步骤1中分散剂用量为水用量的0.01～2wt％。分散剂用量超过水用 量2wt％，将造成分散剂使用过量，增加成本；而如果分散剂用量为水用量的0.01％，分散剂 的效果不明显，不能有效将碳纤维分散。 进一步，所述步骤1中短切碳纤维与纳米碳纤维以任意比例混合，且短切碳纤维与 纳米碳纤维的用量之和为水用量的0.01～0.5wt％。如短切碳纤维与纳米碳纤维的用量之 和超过水用量的0.5wt％，短切碳纤维和纳米碳纤维将难以有效分散；如短切碳纤维与纳米 碳纤维的用量之和小于水用量的0.01wt％，将造成抄纸运行成本明显增加。 进一步，所述步骤3中粘结剂为酚醛树脂、水解度为10～90％的聚丙烯腈树脂、壳 聚糖、呋喃树脂、三聚氰胺、沥青、苯并噁嗪树脂中的一种或两种以上任意比例混合物的溶 液，所述溶液的溶剂为水、甲醇或乙醇。选用这些粘结剂，一方面起到粘结相邻短碳纤维的 作用，另一方面，也可使得在后期炭化过程中由树脂转化为炭素结构，提高碳纤维纸的导电 性。 进一步，所述步骤3中粘结剂浓度为1～100g/L。粘结剂的浓度如果超过100g/L，将 造成碳纤维纸中空孔结构被堵塞；如果小于1g/L，不能起到有效粘结短碳纤维的作用。 进一步，所述步骤3中烘干的烘干温度120℃，烘干时间为10min；所述步骤4的热压 温度为120～200℃，压力为0.5～5Mpa；所述步骤4中炭化的最高炭化温度为1400～2200℃， 炭化时间5s～20min。最高炭化温度如果超过2200℃，将造成能源的浪费，增加成本，而如果 低于1400℃，则炭化不充分，粘结剂树脂不能充分转化为炭素结构；炭化时间如果超过 20min，造成生产效率下降，而如果小于5s，无法有效炭化粘结剂树脂。 一种导电性炭纸的应用，应用于质子交换膜氢燃料气体扩散层的电极基材。炭纸 经进一步疏水改性、设置微孔层后，可作为气体扩散层电极材料使用，因而炭纸是气体扩散 4 CN 111576079 A 说 明 书 3/6 页 层的电极基材。 与现有技术相比本发明具有以下优点： 本发明一方面满足氢燃料电池中作为气体扩散层材料要求的高导电性、高气体扩 散性、高气流分配性，另一方面满足与催化剂层结合良好的要求。 传统炭纸中孔隙率基本相同，如果孔隙率过低，从双极板的气体流路传输的气体 难以有效进入炭纸，存在侧漏风险；如果孔隙率过高，则炭纸的表面平整度整体下降，炭纸 与催化剂层的结合不紧密，既存在气体侧漏的可能性，也不利于气流均匀分布进行催化剂 层，还不利于反应产生电子的有效传输。本发明的材料结构可保证炭纸表面孔隙率高的一 面与双极板相接触，可保证气体有效的传输进入炭纸，降低气体的入口压力；而在另一面， 由于炭纸的孔隙率低，表面平整度高，使得炭纸与催化剂层可充分接触，有利于气流的均匀 分配到催化剂层，并有效传输反应产生的电子。
本发明属于导电性材料制备方法技术领域，具体涉及一种导电性炭纸及其制备方法。本发明导电性炭纸由2～10层孔隙率为10～80％的单层碳纤维纸构成，其中最外侧一面的单层碳纤维纸的孔隙率记为A，另一面最外侧的单层碳纤维纸的孔隙率记为B，其中A、B单位为％，导电性炭纸的 全部
背景技术：
质子交换膜氢燃料电池的气体扩散层需同时具有集电、气体传输、气流分配等功 能。由此，构成气体扩散层的碳纤维纸层材料中，要求同时具有高导电性、高气体扩散性、高 气体分配性等性能。 作为质子交换膜燃料电池的气体扩散层用炭纸，日本公开特许专利第6-20710号 公报记载，将短切碳纤维随机分散形成碳纤维纸，并进而由炭素材料结合起来，形成具有多 孔质结构的碳纤维纸材料。然而，该碳纤维纸材料难以显著体现出对气流分配的能力。 另一方面，作为质子交换膜燃料电池的气体扩散层用炭纸，其一面与具有气体传 输流路的双极板相结合，另一面与催化剂层相结合。因此，作为燃料电池用气体扩散层的导 电基材，除了上述要求的导电性、气体透过性、气体分配性等之外，还要求与催化剂层具有 良好的的结合性。然而，传统的电极基材中，为了提高气体传输性能，炭纸的孔隙率提高，使 得炭纸表面变得粗糙，与催化剂层的结合不良。
技术实现要素：
针对上述问题本发明提供了一种导电性炭纸及其制备方法。 为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案： 一种导电性炭纸，所述导电性炭纸由2～10层孔隙率为10～80％的单层碳纤维纸 构成，其中最外侧一面的单层碳纤维纸的孔隙率记为A，另一面最外侧的单层碳纤维纸的孔 隙率记为B，其中A、B单位为％，导电性炭纸的总厚度记为L，其中L单位为μm，三者须符合如 下关系：0.2≤│A-B│/L≤0.8。当│A-B│/L大于0.8时，由于炭纸两面的孔隙率差异过大，导致 炭纸至少一面的平整度降低；当│A-B│/L小于0.2时，炭纸两面的孔隙率差异过小，无法发挥 梯度分配气流的作用。 进一步，所述导电性炭纸为非对称的多孔质结构炭纸，导电性炭纸孔隙率高的一 面用于与双极板接触，孔隙率低的一面用于与催化剂层接触且在其表面设有微孔层；炭纸 按照从孔隙率从小到大或者从大到小的顺序依次排布。在使用时将孔隙率最大的一面与双 极板相接触，保证气流在从大孔向小孔过渡的过程中实现气流的逐步均匀分配；将孔隙率 最小的一面与催化剂层相接触，保证与催化剂层结合紧密。如果孔隙率不按从大到小或从 小到大的顺序排列，将出现气流发生紊乱流动的现象。 再进一步，所述微孔层是聚四氟乙烯与炭素粒子的混合物。聚四氟乙烯使得微孔 层总体上疏水性增强，有利于反应生成水的排放；而炭素粒子的加入使得微孔层的导电性 提高，有利于电子传输。 一种导电性炭纸的制备方法，包括以下步骤： 3 CN 111576079 A 说 明 书 2/6 页 步骤1，将含有分散剂、短切碳纤维和纳米碳纤维的混合物置于水中，打浆使得短 切碳纤维和纳米碳纤维分散均匀，形成悬浮液； 步骤2，采用常规湿法抄纸技术将悬浮液进行制备，形成碳纤维原纸； 步骤3，将碳纤维原纸浸渍粘结剂，并烘干； 步骤4，将浸渍粘结剂烘干并经过热压的碳纤维原纸进行炭化，得到导电性炭纸。 进一步，所述步骤1中短切碳纤维的直径为2μm～15μm，长度为1mm～30mm。如短切 碳纤维的直径小于2μm，将造成工艺过程复杂，导致生产成本增加；如短切碳纤维的直径大 于15μm，将难以稳定制造。如短切碳纤维的长度小于1mm，将造成切丝过程的成本增加，而如 短切碳纤维的长度超过30mm，将导致短切碳纤维难以均匀分散。 进一步，所述步骤1中纳米碳纤维的直径为20nm～200nm，长度为0.5μm～500μm。如 纳米碳纤维的直径小于20nm，将造成抄纸过程中物料损失严重；如纳米碳纤维的直径超过 200nm，将造成生产成本过高。如纳米碳纤维的长度小于0.5μm，将造成抄纸过程中物料流失 严重；如纳米碳纤维的长度超过500μm，将造成抄纸过程中分散困难。 进一步，所述步骤1中分散剂是：十二烷基苯磺酸钠、酰基羟乙基磺酸钠、多聚磷酸 酯、聚丙烯酸钠、N-烷基三甲基氯化铵、聚氧乙烯胺、聚乙烯亚胺、聚氧乙烯烷基酚、聚氧乙 烯酯、聚乙烯醇、丙三醇、聚氧乙烯、聚丙烯酰胺、脂肪族聚氧乙烯醚、羧甲基纤维素、N-烷基 甜菜碱、N-烷基氨基酸、咪唑啉羧酸盐中的一种或两种以上任意比例的混合物，主要作用是 将短碳纤维进行均匀分散，使得可通过湿法抄纸工艺制成厚度均一的碳纤维纸。 进一步，所述步骤1中分散剂用量为水用量的0.01～2wt％。分散剂用量超过水用 量2wt％，将造成分散剂使用过量，增加成本；而如果分散剂用量为水用量的0.01％，分散剂 的效果不明显，不能有效将碳纤维分散。 进一步，所述步骤1中短切碳纤维与纳米碳纤维以任意比例混合，且短切碳纤维与 纳米碳纤维的用量之和为水用量的0.01～0.5wt％。如短切碳纤维与纳米碳纤维的用量之 和超过水用量的0.5wt％，短切碳纤维和纳米碳纤维将难以有效分散；如短切碳纤维与纳米 碳纤维的用量之和小于水用量的0.01wt％，将造成抄纸运行成本明显增加。 进一步，所述步骤3中粘结剂为酚醛树脂、水解度为10～90％的聚丙烯腈树脂、壳 聚糖、呋喃树脂、三聚氰胺、沥青、苯并噁嗪树脂中的一种或两种以上任意比例混合物的溶 液，所述溶液的溶剂为水、甲醇或乙醇。选用这些粘结剂，一方面起到粘结相邻短碳纤维的 作用，另一方面，也可使得在后期炭化过程中由树脂转化为炭素结构，提高碳纤维纸的导电 性。 进一步，所述步骤3中粘结剂浓度为1～100g/L。粘结剂的浓度如果超过100g/L，将 造成碳纤维纸中空孔结构被堵塞；如果小于1g/L，不能起到有效粘结短碳纤维的作用。 进一步，所述步骤3中烘干的烘干温度120℃，烘干时间为10min；所述步骤4的热压 温度为120～200℃，压力为0.5～5Mpa；所述步骤4中炭化的最高炭化温度为1400～2200℃， 炭化时间5s～20min。最高炭化温度如果超过2200℃，将造成能源的浪费，增加成本，而如果 低于1400℃，则炭化不充分，粘结剂树脂不能充分转化为炭素结构；炭化时间如果超过 20min，造成生产效率下降，而如果小于5s，无法有效炭化粘结剂树脂。 一种导电性炭纸的应用，应用于质子交换膜氢燃料气体扩散层的电极基材。炭纸 经进一步疏水改性、设置微孔层后，可作为气体扩散层电极材料使用，因而炭纸是气体扩散 4 CN 111576079 A 说 明 书 3/6 页 层的电极基材。 与现有技术相比本发明具有以下优点： 本发明一方面满足氢燃料电池中作为气体扩散层材料要求的高导电性、高气体扩 散性、高气流分配性，另一方面满足与催化剂层结合良好的要求。 传统炭纸中孔隙率基本相同，如果孔隙率过低，从双极板的气体流路传输的气体 难以有效进入炭纸，存在侧漏风险；如果孔隙率过高，则炭纸的表面平整度整体下降，炭纸 与催化剂层的结合不紧密，既存在气体侧漏的可能性，也不利于气流均匀分布进行催化剂 层，还不利于反应产生电子的有效传输。本发明的材料结构可保证炭纸表面孔隙率高的一 面与双极板相接触，可保证气体有效的传输进入炭纸，降低气体的入口压力；而在另一面， 由于炭纸的孔隙率低，表面平整度高，使得炭纸与催化剂层可充分接触，有利于气流的均匀 分配到催化剂层，并有效传输反应产生的电子。
