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一种质子交换膜燃料电池纸及其制备方法

申请号 CN202311681467.2 申请日 2023-12-08 公开(公告)号 CN117721667A 公开(公告)日 2024-03-19
申请人 湖南隆深氢能科技有限公司; 发明人 周山麒; 徐爽; 王迪; 胡海平;
摘要 本 发明 公开了一种 质子交换膜 燃料 电池 用 碳 纸,本发明涉及 燃料电池 技术领域,其制备原料包括改性聚丙烯腈基碳 纤维 和改性聚乙烯醇;所述改性聚丙烯腈基 碳纤维 的制备原料包括聚丙烯腈基碳纤维、酚 醛 树脂 和4‑(2‑ 氨 基‑2‑ 甲酸 基乙基) 苯甲酸 ;所述聚丙烯腈基碳纤维、 酚醛树脂 和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸的 质量 之比为95~105:5~10:3~7;所述改性聚乙烯醇的制备原料包括聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯;所述聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯的质量之比为19~21:1~2。本发明提供的 质子交换膜燃料电池 用碳纸的 导电性 能、机械强度和透气性能均十分优异。
权利要求

1.一种质子交换膜燃料电池纸,其特征在于,其制备原料包括改性聚丙烯腈基碳纤维和改性聚乙烯醇;
所述改性聚丙烯腈基碳纤维的制备原料包括聚丙烯腈基碳纤维、酚树脂和4‑(2‑基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸
所述聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸的质量之比为
95~105:5~10:3~7;
所述改性聚乙烯醇的制备原料包括聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯;
所述聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯的质量之比为19~21:1~2。
2.根据权利要求1所述的碳纸,其特征在于,所述改性聚丙烯腈基碳纤维的制备方法包括以下步骤:
将1~10mm的聚丙烯腈基碳纤维进行清洁处理,得到聚丙烯腈基碳纤维前驱体;
将所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体解处理,得到部分水解聚丙烯腈基碳纤维;
将酚醛树脂加入乙醇中,以800~900r/min的速度搅拌8~10h,然后加入部分水解聚丙烯腈基碳纤维,以1200~1300r/min的速度搅拌均匀,然后加入4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸,以1000~1200r/min的速度搅拌6~10h,然后升温至65~75℃回流反应3.2~3.8h,然后自然冷却,过滤分离,得到所述改性聚丙烯腈基碳纤维。
3.根据权利要求2所述的碳纸,其特征在于,所述清洁处理包括以下步骤:
将所述聚丙烯腈基碳纤维置于5~9wt%的氢化钠溶液中浸渍5~7h,然后过滤分离,然后加入乙醇中,以70~90kHz的频率超声30~40min,然后使用乙醇洗涤至pH为6.5~7.5,然后在氩气气氛下,升温至80~90℃烘干,得到所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体。
4.根据权利要求2所述的碳纸,其特征在于,所述水解处理包括以下步骤:
将所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体加入15~17wt%的氢氧化钠水溶液中,以700~800r/min的速度搅拌均匀,然后升温至62~68℃反应25~30min,得到部分水解聚丙烯腈基碳纤维。
5.根据权利要求1所述的碳纸,其特征在于,所述改性聚乙烯醇的制备方法包括以下步骤:
将所述聚乙烯醇加入水中,以920~1000r/min的速度搅拌均匀,然后加入4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯,升温至110~120℃反应2.2~2.8h,冷却后过滤分离,得到改性聚乙烯醇。
6.如权利要求1所述的碳纸的制备方法,其特征在于,其包括以下步骤:
将改性聚丙烯腈基碳纤维加入水中,以110~130kHz的频率超声15~25min,然后加入改性聚乙烯醇,以1250~1280r/min的速度搅拌均匀,然后加入0.5~1.1wt%的羟乙基纤维素水溶液,搅拌均匀后加入成型器中湿法成型,得到碳纸原纸;
将所述碳纸原纸置于浸渍液中浸渍2.2~2.8h,然后在氩气气氛下,于80~90℃烘干,然后在氩气气氛下进行固化处理和碳化处理,得到所述质子交换膜燃料电池用碳纸;
所述改性聚丙烯腈基碳纤维、改性聚乙烯醇和羟乙基纤维素的质量之比为98~102:5~11:1~2;
所述浸渍液包括导电材料、分散剂和溶剂
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述分散剂包括聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、偏氟乙烯‑三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯‑三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯‑六氟丙烯共聚物、乙烯‑四氟乙烯共聚物和四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物中的至少一种。
8.根据权利要求6所述制备方法,其特征在于,所述固化处理的条件为在220~280℃保温2.1~2.5h;
所述碳化处理的条件为在2300~2360℃保温0.9~1.5h。
9.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述导电材料包括导碳纤维、碳纳米管乙炔黑、介孔碳、导电炭黑、碳气凝胶、石墨石墨烯中的至少一种;
所述溶剂包括水、乙醇、乙二醇、丙、丙三醇、N,N‑二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺和N‑甲基吡咯烷酮中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述浸渍液的制备方法包括以下步骤:
将所述导电材料加入所述溶剂中,以70~90kHz的频率超声30~40min,然后加入所述分散剂,以1000~1100r/min的速度搅拌均匀,得到所述浸渍液。

说明书全文

一种质子交换膜燃料电池纸及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及燃料电池技术领域,具体而言,涉及一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法。

背景技术

[0002] 燃料电池是一种新型和环境友好型的发电装置,可直接将存储于燃料中的化学能转化为电能,由于其发电无剧烈燃烧,转化过程绿色环保,所以使用燃料电池是解决当前能源危机的有效办法。在各种燃料电池中,质子交换膜燃料电池因为具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、无污染、体积轻巧等诸多优点,被认为是最具发展潜的电源之一。燃料电池在工作中会产生大量的,如果没有办法及时排出,则会造成催化层水淹现象,堵塞整个电池通道,阻碍气体的传输。因此,有一个既能够有效传输气体,又能管理反应所产生的水的通道就尤为重要。
[0003] 碳纸是质子交换膜燃料电池气体扩散层的主体材料,起支撑催化剂,为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的作用,是影响电极性能的关键部件之一。CN114457620A公开了一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法,然而其存在拉伸强度不够的问题。
[0004] 综上所述,经过申请人的海量检索,本领域至少存在现有的质子交换膜燃料电池用碳纸不能同时保证导电性能、机械强度和透气性能优异的问题,因此,需要开发或者改进一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法。

发明内容

[0005] 基于此,为了解决现有的质子交换膜燃料电池用碳纸不能同时保证导电性能、机械强度和透气性能优异的问题,本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用碳纸及其制备方法,具体技术方案如下:
[0006] 一种质子交换膜燃料电池用碳纸,其制备原料包括改性聚丙烯腈基碳纤维和改性聚乙烯醇;
[0007] 所述改性聚丙烯腈基碳纤维的制备原料包括聚丙烯腈基碳纤维、酚树脂和4‑(2‑基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸
[0008] 所述聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸的质量之比为95~105:5~10:3~7;
[0009] 所述改性聚乙烯醇的制备原料包括聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯;
[0010] 所述聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯的质量之比为19~21:1~2。
[0011] 进一步地,所述改性聚丙烯腈基碳纤维的制备方法包括以下步骤:
[0012] 将1~10mm的聚丙烯腈基碳纤维进行清洁处理,得到聚丙烯腈基碳纤维前驱体;
[0013] 将所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体水解处理,得到部分水解聚丙烯腈基碳纤维;
[0014] 将酚醛树脂加入乙醇中,以800~900r/min的速度搅拌8~10h,然后加入部分水解聚丙烯腈基碳纤维,以1200~1300r/min的速度搅拌均匀,然后加入4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸,以1000~1200r/min的速度搅拌6~10h,然后升温至65~75℃回流反应3.2~3.8h,然后自然冷却,过滤分离,得到所述改性聚丙烯腈基碳纤维。
[0015] 进一步地,所述清洁处理包括以下步骤:
[0016] 将所述聚丙烯腈基碳纤维置于5~9wt%的氢化钠溶液中浸渍5~7h,然后过滤分离,然后加入乙醇中,以70~90kHz的频率超声30~40min,然后使用乙醇洗涤至pH为6.5~7.5,然后在氩气气氛下,升温至80~90℃烘干,得到所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体。
[0017] 进一步地,所述水解处理包括以下步骤:
[0018] 将所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体加入15~17wt%的氢氧化钠水溶液中,以700~800r/min的速度搅拌均匀,然后升温至62~68℃反应25~30min,得到部分水解聚丙烯腈基碳纤维。
[0019] 进一步地,所述改性聚乙烯醇的制备方法包括以下步骤:
[0020] 将所述聚乙烯醇加入水中,以920~1000r/min的速度搅拌均匀,然后加入4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯,升温至110~120℃反应2.2~2.8h,冷却后过滤分离,得到改性聚乙烯醇。
[0021] 本技术方案还提供了一种碳纸的制备方法,其包括以下步骤:
[0022] 将改性聚丙烯腈基碳纤维加入水中,以110~130kHz的频率超声15~25min,然后加入改性聚乙烯醇,以1250~1280r/min的速度搅拌均匀,然后加入0.5~1.1wt%的羟乙基纤维素水溶液,搅拌均匀后加入成型器中湿法成型,得到碳纸原纸;
[0023] 将所述碳纸原纸置于浸渍液中浸渍2.2~2.8h,然后在氩气气氛下,于80~90℃烘干,然后在氩气气氛下进行固化处理和碳化处理,得到所述质子交换膜燃料电池用碳纸;
[0024] 所述改性聚丙烯腈基碳纤维、改性聚乙烯醇和羟乙基纤维素的质量之比为98~102:5~11:1~2;
[0025] 所述浸渍液包括导电材料、分散剂和溶剂
[0026] 进一步地,所述分散剂包括聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、偏氟乙烯‑三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯‑三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯‑六氟丙烯共聚物、乙烯‑四氟乙烯共聚物和四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物中的至少一种。
[0027] 进一步地,所述固化处理的条件为在220~280℃保温2.1~2.5h;
[0028] 所述碳化处理的条件为在2300~2360℃保温0.9~1.5h。
[0029] 进一步地,所述导电材料包括导碳纤维、碳纳米管乙炔黑、介孔碳、导电炭黑、碳气凝胶、石墨石墨烯中的至少一种;
[0030] 所述溶剂包括水、乙醇、乙二醇、丙、丙三醇、N,N‑二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺和N‑甲基吡咯烷酮中的至少一种。
[0031] 进一步地,所述浸渍液的制备方法包括以下步骤:
[0032] 将所述导电材料加入所述溶剂中,以70~90kHz的频率超声30~40min,然后加入所述分散剂,以1000~1100r/min的速度搅拌均匀,得到所述浸渍液。
[0033] 上述技术方案提供的质子交换膜燃料电池用碳纸的导电性能、机械强度和透气性能均十分优异;具体地,部分水解聚丙烯腈基碳纤维含有丰富的羟基基团,酚醛树脂也含有羟基基团,而4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸含有对位的羧基,可与羟基发生酯化反应,链接聚丙烯腈基碳纤维和酚醛树脂,此外,酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸皆含有苯环,可有效形成空间大尺寸空间通道和大Π键电子;进一步地,4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯改性后的聚乙烯醇也能有效链接4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯,4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯含苯环、酯基和氨基,这些基团可与酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸改性的聚丙烯腈基碳纤维在湿法成型时更大尺度地形成具有韧性的平面,从而使得最终得到的质子交换膜燃料电池用碳纸的导电性能、机械强度和透气性能均十分优异。

具体实施方式

[0034] 为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合其实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明,并不限定本发明的保护范围。
[0035] 除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0036] 本发明一实施例中的一种质子交换膜燃料电池用碳纸,其制备原料包括改性聚丙烯腈基碳纤维和改性聚乙烯醇;
[0037] 所述改性聚丙烯腈基碳纤维的制备原料包括聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸;
[0038] 所述聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸的质量之比为95~105:5~10:3~7;
[0039] 所述改性聚乙烯醇的制备原料包括聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯;
[0040] 所述聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯的质量之比为19~21:1~2。
[0041] 在其中一个实施例中,所述改性聚丙烯腈基碳纤维的制备方法包括以下步骤:
[0042] 将1~10mm的聚丙烯腈基碳纤维进行清洁处理,得到聚丙烯腈基碳纤维前驱体;
[0043] 将所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体水解处理,得到部分水解聚丙烯腈基碳纤维;
[0044] 将酚醛树脂加入乙醇中,以800~900r/min的速度搅拌8~10h,然后加入部分水解聚丙烯腈基碳纤维,以1200~1300r/min的速度搅拌均匀,然后加入4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸,以1000~1200r/min的速度搅拌6~10h,然后升温至65~75℃回流反应3.2~3.8h,然后自然冷却,过滤分离,得到所述改性聚丙烯腈基碳纤维。
[0045] 在其中一个实施例中,所述清洁处理包括以下步骤:
[0046] 将所述聚丙烯腈基碳纤维置于5~9wt%的氢氧化钠溶液中浸渍5~7h,然后过滤分离,然后加入乙醇中,以70~90kHz的频率超声30~40min,然后使用乙醇洗涤至pH为6.5~7.5,然后在氩气气氛下,升温至80~90℃烘干,得到所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体。
[0047] 在其中一个实施例中,所述水解处理包括以下步骤:
[0048] 将所述聚丙烯腈基碳纤维前驱体加入15~17wt%的氢氧化钠水溶液中,以700~800r/min的速度搅拌均匀,然后升温至62~68℃反应25~30min,得到部分水解聚丙烯腈基碳纤维。
[0049] 在其中一个实施例中,所述改性聚乙烯醇的制备方法包括以下步骤:
[0050] 将所述聚乙烯醇加入水中,以920~1000r/min的速度搅拌均匀,然后加入4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯,升温至110~120℃反应2.2~2.8h,冷却后过滤分离,得到改性聚乙烯醇。
[0051] 在其中一个实施例中,本技术方案提供了一种碳纸的制备方法,其包括以下步骤:
[0052] 将改性聚丙烯腈基碳纤维加入水中,以110~130kHz的频率超声15~25min,然后加入改性聚乙烯醇,以1250~1280r/min的速度搅拌均匀,然后加入0.5~1.1wt%的羟乙基纤维素水溶液,搅拌均匀后加入成型器中湿法成型,得到碳纸原纸;
[0053] 将所述碳纸原纸置于浸渍液中浸渍2.2~2.8h,然后在氩气气氛下,于80~90℃烘干,然后在氩气气氛下进行固化处理和碳化处理,得到所述质子交换膜燃料电池用碳纸;
[0054] 所述改性聚丙烯腈基碳纤维、改性聚乙烯醇和羟乙基纤维素的质量之比为98~102:5~11:1~2;
[0055] 所述浸渍液包括导电材料、分散剂和溶剂。
[0056] 在其中一个实施例中,所述分散剂包括聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、偏氟乙烯‑三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯与六氟乙烯的共聚物、聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯‑三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯‑六氟丙烯共聚物、乙烯‑四氟乙烯共聚物和四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物中的至少一种。
[0057] 在其中一个实施例中,所述固化处理的条件为在220~280℃保温2.1~2.5h;
[0058] 所述碳化处理的条件为在2300~2360℃保温0.9~1.5h。
[0059] 在其中一个实施例中,所述导电材料包括导碳纤维、碳纳米管、乙炔黑、介孔碳、导电炭黑、碳气凝胶、石墨和石墨烯中的至少一种;
[0060] 所述溶剂包括水、乙醇、乙二醇、丙酮、丙三醇、N,N‑二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺和N‑甲基吡咯烷酮中的至少一种。
[0061] 在其中一个实施例中,所述浸渍液的制备方法包括以下步骤:
[0062] 将所述导电材料加入所述溶剂中,以70~90kHz的频率超声30~40min,然后加入所述分散剂,以1000~1100r/min的速度搅拌均匀,得到所述浸渍液。
[0063] 下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述。
[0064] 实施例1:
[0065] 改性聚丙烯腈基碳纤维的制备:将3mm的聚丙烯腈基碳纤维置于7wt%的氢氧化钠溶液中浸渍6h,然后过滤分离,然后加入乙醇中,以80kHz的频率超声35min,然后使用乙醇洗涤至pH为7,然后在氩气气氛下,升温至85℃烘干,得到聚丙烯腈基碳纤维前驱体;将聚丙烯腈基碳纤维前驱体加入16wt%的氢氧化钠水溶液中,以750r/min的速度搅拌均匀,然后升温至65℃反应28min,得到部分水解聚丙烯腈基碳纤维;将酚醛树脂加入乙醇中,以850r/min的速度搅拌9h,然后加入部分水解聚丙烯腈基碳纤维,以1250r/min的速度搅拌均匀,然后加入4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸,以1100r/min的速度搅拌8h,然后升温至70℃回流反应3.5h,然后自然冷却,过滤分离,得到改性聚丙烯腈基碳纤维,其中聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸的质量之比为100:7:5;
[0066] 改性聚乙烯醇的制备:将聚乙烯醇加入水中,以960r/min的速度搅拌均匀,然后加入4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯,升温至115℃反应2.5h,冷却后过滤分离,得到改性聚乙烯醇,其中聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯的质量之比为20:1.5;
[0067] 浸渍液的制备:将导电炭黑加入水中,以80kHz的频率超声35min,然后加入40wt%的聚四氟乙烯水溶液,以1050r/min的速度搅拌均匀,得到浸渍液;
[0068] 质子交换膜燃料电池用碳纸的制备:将改性聚丙烯腈基碳纤维加入水中,以120kHz的频率超声20min,然后加入改性聚乙烯醇,以1270r/min的速度搅拌均匀,然后加入
0.8wt%的羟乙基纤维素水溶液,搅拌均匀后加入成型器中湿法成型,得到碳纸原纸;将碳纸原纸置于浸渍液中浸渍2.5h,然后在氩气气氛下,于85℃烘干,然后在氩气气氛下,在250℃保温2.3h进行固化处理和2330℃保温1.2h进行碳化处理,得到质子交换膜燃料电池用碳纸,其中改性聚丙烯腈基碳纤维、改性聚乙烯醇和羟乙基纤维素的质量之比为100:8:1.5。
[0069] 实施例2:
[0070] 其他部分与实施例1相同,不同之处在于聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸的质量之比为100:7:3,聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯的质量之比为20:1。
[0071] 实施例3:
[0072] 其他部分与实施例1相同,不同之处在于聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸的质量之比为100:7:7,聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯的质量之比为20:2。
[0073] 对比例1:
[0074] 改性聚乙烯醇的制备:将聚乙烯醇加入水中,以960r/min的速度搅拌均匀,然后加入4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯,升温至115℃反应2.5h,冷却后过滤分离,得到改性聚乙烯醇,其中聚乙烯醇和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯的质量之比为20:1.5;
[0075] 浸渍液的制备:将导电炭黑加入水中,以80kHz的频率超声35min,然后加入40wt%的聚四氟乙烯水溶液,以1050r/min的速度搅拌均匀,得到浸渍液;
[0076] 质子交换膜燃料电池用碳纸的制备:将聚丙烯腈基碳纤维加入水中,以120kHz的频率超声20min,然后加入改性聚乙烯醇,以1270r/min的速度搅拌均匀,然后加入0.8wt%的羟乙基纤维素水溶液,搅拌均匀后加入成型器中湿法成型,得到碳纸原纸;将碳纸原纸置于浸渍液中浸渍2.5h,然后在氩气气氛下,于85℃烘干,然后在氩气气氛下,在250℃保温2.3h进行固化处理和2330℃保温1.2h进行碳化处理,得到质子交换膜燃料电池用碳纸,其中聚丙烯腈基碳纤维、改性聚乙烯醇和羟乙基纤维素的质量之比为100:8:1.5。
[0077] 对比例2:
[0078] 改性聚丙烯腈基碳纤维的制备:将3mm的聚丙烯腈基碳纤维置于7wt%的氢氧化钠溶液中浸渍6h,然后过滤分离,然后加入乙醇中,以80kHz的频率超声35min,然后使用乙醇洗涤至pH为7,然后在氩气气氛下,升温至85℃烘干,得到聚丙烯腈基碳纤维前驱体;将聚丙烯腈基碳纤维前驱体加入16wt%的氢氧化钠水溶液中,以750r/min的速度搅拌均匀,然后升温至65℃反应28min,得到部分水解聚丙烯腈基碳纤维;将酚醛树脂加入乙醇中,以850r/min的速度搅拌9h,然后加入部分水解聚丙烯腈基碳纤维,以1250r/min的速度搅拌均匀,然后加入4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸,以1100r/min的速度搅拌8h,然后升温至70℃回流反应3.5h,然后自然冷却,过滤分离,得到改性聚丙烯腈基碳纤维,其中聚丙烯腈基碳纤维、酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸的质量之比为100:7:5;
[0079] 浸渍液的制备:将导电炭黑加入水中,以80kHz的频率超声35min,然后加入40wt%的聚四氟乙烯水溶液,以1050r/min的速度搅拌均匀,得到浸渍液;
[0080] 质子交换膜燃料电池用碳纸的制备:将改性聚丙烯腈基碳纤维加入水中,以120kHz的频率超声20min,然后加入聚乙烯醇,以1270r/min的速度搅拌均匀,然后加入
0.8wt%的羟乙基纤维素水溶液,搅拌均匀后加入成型器中湿法成型,得到碳纸原纸;将碳纸原纸置于浸渍液中浸渍2.5h,然后在氩气气氛下,于85℃烘干,然后在氩气气氛下,在250℃保温2.3h进行固化处理和2330℃保温1.2h进行碳化处理,得到质子交换膜燃料电池用碳纸,其中改性聚丙烯腈基碳纤维、聚乙烯醇和羟乙基纤维素的质量之比为100:8:1.5。
[0081] 将上述实施例1~3和对比例1~2得到的碳纸进行导电性能、机械强度和透气性能测试,测试结果如表1所示。
[0082] 表1:
[0083]
[0084]
[0085] 从表1中可以看出,实施例1~3由于同时采用了酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸改性的聚丙烯腈基碳纤维和4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯改性的聚乙烯醇,本发明提供的质子交换膜燃料电池用碳纸的导电性能、机械强度和透气性能均十分优异;具体地,电阻率低至8以下,拉伸强度高达36MPa以上,透气率高达2200以上;更具体地,部分水解聚丙烯腈基碳纤维含有丰富的羟基基团,酚醛树脂也含有羟基基团,而4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸含有对位的羧基,可与羟基发生酯化反应,链接聚丙烯腈基碳纤维和酚醛树脂,此外,酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸皆含有苯环,可有效形成空间大尺寸空间通道和大Π键电子云;进一步地,4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯改性后的聚乙烯醇也能有效链接4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯,4‑氨基‑2‑甲基苯乙酸乙酯含苯环、酯基和氨基,这些基团可与酚醛树脂和4‑(2‑氨基‑2‑甲酸基乙基)苯甲酸改性的聚丙烯腈基碳纤维在湿法成型时更大尺度地形成具有韧性的平面,从而使得最终得到的质子交换膜燃料电池用碳纸的导电性能、机械强度和透气性能均十分优异。
[0086] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
[0087] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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