技术摘要：
本发明属于导电性材料制备方法技术领域，具体涉及一种质子交换膜氢燃料电池用炭纸及制备方法。所述质子交换膜氢燃料电池用炭纸，可解决炭纸中碳纤维难以均匀分布的问题，提高炭纸的导电性。其制备步骤为：将分散剂1、炭化纤维的混合物放入水中，打浆使得炭化纤维丝分散 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，由于通常的碳纤维在制备过程中经过1300℃以上高温炭 化，导致碳纤维表面呈现类石墨结构，一般碳纤维的碳含量≥92wt％，氮含量≤5wt％；由于 该碳纤维的表面能低，使其难以在水中均匀分散，进而难以制备得到碳纤维均匀分布的炭 纸，难以显著提高炭纸的导电性。
技术实现要素：
针对上述问题本发明提供了一种质子交换膜氢燃料电池用炭纸及制备方法，可解 决纤维难以均匀分散的问题，提高炭纸的导电性。 为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案： 一种质子交换膜氢燃料电池用炭纸，由炭化纤维经分散、抄纸、并用粘结剂粘结、 固化、炭化制成，且其中炭化纤维的碳含量为60～90wt％，氮含量为7～20wt％。这种炭化纤 维的表面具有较丰富亲水官能团，使得炭化纤维在水中较容易均匀分散，可通过通常的抄 纸方法得到炭化纤维原纸；由于纤维分布均匀，将该炭化纤维原纸通过粘结剂粘结、炭化后 可得到导电性良好的炭纸。另一方面，采用炭化纤维作为抄纸原料，由于炭化纤维在制备过 程中炭化温度较低(通常≤1000℃)，因而炭纸的制备成本可大幅度降低。 一种质子交换膜氢燃料电池用炭纸的制备方法，包括以下步骤： 步骤1，将分散剂1、炭化纤维的混合物放入水中，打浆使得炭化纤维丝分散形成悬 浮液； 步骤2，向悬浮液中加入分散剂2，继续搅拌使炭化纤维分散均匀，形成均一的悬浮 液； 步骤3，采用湿法抄纸方法将悬浮液进行抄纸，得到炭化纤维原纸； 步骤4，将炭化纤维原纸用粘结剂进行浸渍并干燥； 步骤5，将浸渍粘结剂并干燥后的炭化纤维原纸进行固化； 步骤6，将固化后的炭纤维原纸在氮气气氛保护下进行炭化处理，得到质子交换膜 氢燃料电池用炭纸。 步骤1中所述炭化纤维的碳含量为60～90wt％，氮含量为7～20wt％，该炭化纤维 3 CN 111549573 A 说 明 书 2/5 页 在水中的分散性较好，有利于得到纤维分布均匀的原纸；如果炭化纤维中碳含量低于 60wt％，由于在步骤5中的炭化过程中产生较大热收缩，导致炭纸的质量变差；如果碳含量 高于90wt％，将导致炭化纤维在水中的分散性变差，难以得到导电性良好的碳纸。如果炭化 纤维中氮含量低于7wt％，碳纤维的水分散性变差，如果氮含量高于20wt％，则在炭化过程 中热变形过大，导致炭纸质量变差。 进一步，所述步骤1中炭化纤维的长度为1～30mm。如果炭化纤维的长度小于1mm， 将导致炭纸的机械性能变差，如果炭化纤维的长度高于30mm，将导致炭化纤维在水中的分 散性变差，难以抄造成纸。 进一步，所述步骤1中分散剂1为离子型分散剂，包括十二烷基苯磺酸钠、酰基羟乙 基磺酸钠、聚丙烯酸钠、N-烷基三甲基氯化铵、N-烷基氨基酸、N-烷基甜菜碱、咪唑啉羧酸盐 中的一种或两种以上任意比例的混合物； 进一步，所述步骤1中分散剂1的用量为水用量的0.002～0.5wt％，炭化纤维的用 量为水用量的0.01～0.5wt％，如果分散剂1的用量低于水用量的0.002wt％，将导致吸附不 充分，分散能力不足，炭化纤维在水中难以有效分散；如果分散剂1的用量超过水用量的 0.5wt％，将造成分散剂的浪费。如果炭化纤维的用量低于水用量的0.01wt％，将导致制备 成本提高，如果炭化纤维的用量高于0.5wt％，将导致炭化纤维分散困难，得到的炭纸质量 变差。 进一步，所述步骤2中分散剂2为非离子型分散剂，包括多聚磷酸酯、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、聚乙二醇、丙三醇、聚氧乙烯、聚丙烯 酰胺、脂肪族聚氧乙烯醚、羧甲基纤维素中的一种或两种以上任意比例的混合物。 进一步，所述步骤2中分散剂2的用量为水用量的0.01～1wt％，如果分散剂2的用 量低于水用量的0.01wt％，将分散能力不足，炭化纤维在水中难以有效分散；如果分散剂2 的用量超过水用量的1wt％，将造成分散剂的浪费。 进一步，所述步骤4中粘结剂为酚醛树脂、水解度为10～90％的聚丙烯腈树脂、壳 聚糖树脂、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，粘结剂浓度为1～100g/L。如果粘结剂在水、甲 醇或乙醇中的浓度低于1g/L，将导致炭化纤维之间未有效粘结，导致炭纸的导电性下降；如 果粘结剂在水、甲醇或乙醇中浓度高于100g/L，过量的粘结剂将可能堵塞纸中的孔隙，导致 炭纸的透气性能下降。 进一步，所述粘结剂还包括炭素材料，用量为粘结剂中溶质总量的5～80wt％；所 述炭素材料为碳纳米管、石墨、石墨烯、炭黑、富勒烯中的任意一种或几种任意比例的混合 物。如果粘结剂中炭素材料的比率低于5wt％，将导致炭纸的导电性下降，如果粘结剂中炭 素材料的比率高于80wt％，将导致粘结剂不能有效粘结炭化纤维，同样导致炭纸的导电性 下降。 再进一步，所述步骤4中干燥的温度为80～300℃，时间为2～30min。如果干燥的温 度低于80℃，将导致难以充分干燥；如果干燥温度高于300℃，将导致粘结剂发生部分热解， 影响炭纸的质量。如果干燥时间少于2min，将导致干燥时间不够，溶剂难以完全挥发；如果 干燥时间高于30min，将导致制备时间增加，增加了制备成本。 再进一步，所述步骤5中固化温度为160～300℃，时间为30秒～20分钟，固化时施 4 CN 111549573 A 说 明 书 3/5 页 加在炭化纤维原纸纸面的压力为0.2～5MPa。如果固化温度低于160℃，将导致粘结剂固化 不充分，导致炭化过程中热分解过多，导致炭纸质量变差；如果固化温度高于300℃，将导致 能源浪费，成本增加。如果固化时间少于30秒，将导致粘结剂固化不充分，如果固化时间高 于20分钟，将导致炭纸的制备成本增加。如果施加在纸面的压力小于0.2MPa，将导致炭纸的 粗糙度增加，如果压力大于5MPa，将导致成本增加。 更进一步，所述步骤6中炭化处理的温度为1400～2200℃，时间为5秒～20分钟。如 果炭化温度低于1400℃，将导致粘结剂不能有效被炭化，导致炭纸的导电性难以提高；如果 炭化温度高于2200℃，将导致制备成本提高；如果炭化时间少于5秒钟，将导致粘结剂不能 有效炭化，导致炭纸的导电性不高，如果炭化时间多于20分钟，将导致炭纸的制备成本提 高。 与现有技术相比本发明具有以下优点： 传统的炭纸制备过程中采用碳含量超过92wt％、氮含量低于5wt％的碳纤维作为 原材料，通过在水中分散，形成碳纤维原纸，进而与酚醛树脂等粘结剂浸胶、炭化，制成炭 纸。但这种方法中，由于碳纤维表面亲水官能团少，难以在水中均匀分散，因而难以形成均 匀分布的纸结构，进而在炭化后，炭纸的导电性不高。 在新的方法中，由于采用碳含量为70～90wt％，氮含量为7～20wt％的炭化纤维作 为原料，炭化纤维表面含有较丰富的含氧、含氮官能团，与水的亲和性较好，因而在水中分 散性较好，较易形成均匀的纸结构，通过浸胶、固化、炭化制成炭纸后，由于炭纸中均匀分布 的炭化纤维转化为碳纤维，因而导电性显著提高。该方法避免了直接使用成品碳纤维带来 的分散难的问题。
本发明属于导电性材料制备方法技术领域，具体涉及一种质子交换膜氢燃料电池用炭纸及制备方法。所述质子交换膜氢燃料电池用炭纸，可解决炭纸中碳纤维难以均匀分布的问题，提高炭纸的导电性。其制备步骤为：将分散剂1、炭化纤维的混合物放入水中，打浆使得炭化纤维丝分散 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，由于通常的碳纤维在制备过程中经过1300℃以上高温炭 化，导致碳纤维表面呈现类石墨结构，一般碳纤维的碳含量≥92wt％，氮含量≤5wt％；由于 该碳纤维的表面能低，使其难以在水中均匀分散，进而难以制备得到碳纤维均匀分布的炭 纸，难以显著提高炭纸的导电性。
技术实现要素：
针对上述问题本发明提供了一种质子交换膜氢燃料电池用炭纸及制备方法，可解 决纤维难以均匀分散的问题，提高炭纸的导电性。 为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案： 一种质子交换膜氢燃料电池用炭纸，由炭化纤维经分散、抄纸、并用粘结剂粘结、 固化、炭化制成，且其中炭化纤维的碳含量为60～90wt％，氮含量为7～20wt％。这种炭化纤 维的表面具有较丰富亲水官能团，使得炭化纤维在水中较容易均匀分散，可通过通常的抄 纸方法得到炭化纤维原纸；由于纤维分布均匀，将该炭化纤维原纸通过粘结剂粘结、炭化后 可得到导电性良好的炭纸。另一方面，采用炭化纤维作为抄纸原料，由于炭化纤维在制备过 程中炭化温度较低(通常≤1000℃)，因而炭纸的制备成本可大幅度降低。 一种质子交换膜氢燃料电池用炭纸的制备方法，包括以下步骤： 步骤1，将分散剂1、炭化纤维的混合物放入水中，打浆使得炭化纤维丝分散形成悬 浮液； 步骤2，向悬浮液中加入分散剂2，继续搅拌使炭化纤维分散均匀，形成均一的悬浮 液； 步骤3，采用湿法抄纸方法将悬浮液进行抄纸，得到炭化纤维原纸； 步骤4，将炭化纤维原纸用粘结剂进行浸渍并干燥； 步骤5，将浸渍粘结剂并干燥后的炭化纤维原纸进行固化； 步骤6，将固化后的炭纤维原纸在氮气气氛保护下进行炭化处理，得到质子交换膜 氢燃料电池用炭纸。 步骤1中所述炭化纤维的碳含量为60～90wt％，氮含量为7～20wt％，该炭化纤维 3 CN 111549573 A 说 明 书 2/5 页 在水中的分散性较好，有利于得到纤维分布均匀的原纸；如果炭化纤维中碳含量低于 60wt％，由于在步骤5中的炭化过程中产生较大热收缩，导致炭纸的质量变差；如果碳含量 高于90wt％，将导致炭化纤维在水中的分散性变差，难以得到导电性良好的碳纸。如果炭化 纤维中氮含量低于7wt％，碳纤维的水分散性变差，如果氮含量高于20wt％，则在炭化过程 中热变形过大，导致炭纸质量变差。 进一步，所述步骤1中炭化纤维的长度为1～30mm。如果炭化纤维的长度小于1mm， 将导致炭纸的机械性能变差，如果炭化纤维的长度高于30mm，将导致炭化纤维在水中的分 散性变差，难以抄造成纸。 进一步，所述步骤1中分散剂1为离子型分散剂，包括十二烷基苯磺酸钠、酰基羟乙 基磺酸钠、聚丙烯酸钠、N-烷基三甲基氯化铵、N-烷基氨基酸、N-烷基甜菜碱、咪唑啉羧酸盐 中的一种或两种以上任意比例的混合物； 进一步，所述步骤1中分散剂1的用量为水用量的0.002～0.5wt％，炭化纤维的用 量为水用量的0.01～0.5wt％，如果分散剂1的用量低于水用量的0.002wt％，将导致吸附不 充分，分散能力不足，炭化纤维在水中难以有效分散；如果分散剂1的用量超过水用量的 0.5wt％，将造成分散剂的浪费。如果炭化纤维的用量低于水用量的0.01wt％，将导致制备 成本提高，如果炭化纤维的用量高于0.5wt％，将导致炭化纤维分散困难，得到的炭纸质量 变差。 进一步，所述步骤2中分散剂2为非离子型分散剂，包括多聚磷酸酯、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、聚乙二醇、丙三醇、聚氧乙烯、聚丙烯 酰胺、脂肪族聚氧乙烯醚、羧甲基纤维素中的一种或两种以上任意比例的混合物。 进一步，所述步骤2中分散剂2的用量为水用量的0.01～1wt％，如果分散剂2的用 量低于水用量的0.01wt％，将分散能力不足，炭化纤维在水中难以有效分散；如果分散剂2 的用量超过水用量的1wt％，将造成分散剂的浪费。 进一步，所述步骤4中粘结剂为酚醛树脂、水解度为10～90％的聚丙烯腈树脂、壳 聚糖树脂、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，粘结剂浓度为1～100g/L。如果粘结剂在水、甲 醇或乙醇中的浓度低于1g/L，将导致炭化纤维之间未有效粘结，导致炭纸的导电性下降；如 果粘结剂在水、甲醇或乙醇中浓度高于100g/L，过量的粘结剂将可能堵塞纸中的孔隙，导致 炭纸的透气性能下降。 进一步，所述粘结剂还包括炭素材料，用量为粘结剂中溶质总量的5～80wt％；所 述炭素材料为碳纳米管、石墨、石墨烯、炭黑、富勒烯中的任意一种或几种任意比例的混合 物。如果粘结剂中炭素材料的比率低于5wt％，将导致炭纸的导电性下降，如果粘结剂中炭 素材料的比率高于80wt％，将导致粘结剂不能有效粘结炭化纤维，同样导致炭纸的导电性 下降。 再进一步，所述步骤4中干燥的温度为80～300℃，时间为2～30min。如果干燥的温 度低于80℃，将导致难以充分干燥；如果干燥温度高于300℃，将导致粘结剂发生部分热解， 影响炭纸的质量。如果干燥时间少于2min，将导致干燥时间不够，溶剂难以完全挥发；如果 干燥时间高于30min，将导致制备时间增加，增加了制备成本。 再进一步，所述步骤5中固化温度为160～300℃，时间为30秒～20分钟，固化时施 4 CN 111549573 A 说 明 书 3/5 页 加在炭化纤维原纸纸面的压力为0.2～5MPa。如果固化温度低于160℃，将导致粘结剂固化 不充分，导致炭化过程中热分解过多，导致炭纸质量变差；如果固化温度高于300℃，将导致 能源浪费，成本增加。如果固化时间少于30秒，将导致粘结剂固化不充分，如果固化时间高 于20分钟，将导致炭纸的制备成本增加。如果施加在纸面的压力小于0.2MPa，将导致炭纸的 粗糙度增加，如果压力大于5MPa，将导致成本增加。 更进一步，所述步骤6中炭化处理的温度为1400～2200℃，时间为5秒～20分钟。如 果炭化温度低于1400℃，将导致粘结剂不能有效被炭化，导致炭纸的导电性难以提高；如果 炭化温度高于2200℃，将导致制备成本提高；如果炭化时间少于5秒钟，将导致粘结剂不能 有效炭化，导致炭纸的导电性不高，如果炭化时间多于20分钟，将导致炭纸的制备成本提 高。 与现有技术相比本发明具有以下优点： 传统的炭纸制备过程中采用碳含量超过92wt％、氮含量低于5wt％的碳纤维作为 原材料，通过在水中分散，形成碳纤维原纸，进而与酚醛树脂等粘结剂浸胶、炭化，制成炭 纸。但这种方法中，由于碳纤维表面亲水官能团少，难以在水中均匀分散，因而难以形成均 匀分布的纸结构，进而在炭化后，炭纸的导电性不高。 在新的方法中，由于采用碳含量为70～90wt％，氮含量为7～20wt％的炭化纤维作 为原料，炭化纤维表面含有较丰富的含氧、含氮官能团，与水的亲和性较好，因而在水中分 散性较好，较易形成均匀的纸结构，通过浸胶、固化、炭化制成炭纸后，由于炭纸中均匀分布 的炭化纤维转化为碳纤维，因而导电性显著提高。该方法避免了直接使用成品碳纤维带来 的分散难的问题。
