專利名稱：：用于燃料電池電極氣體擴散層的碳纖維紙的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種電極材料，尤其涉及一種適用于燃料電池電極氣體擴散層的碳纖維紙材料，還涉及該種碳纖維紙材料的制備方法。技術(shù)背景氣體擴散層材料在電極中起著支撐催化劑層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)的作用，還為電極反應(yīng)提供燃料氣體通道、電子通道和排水通道，不同的擴散層材料對于電極的結(jié)構(gòu)、制造工藝和性能的影響也各不相同。碳纖維紙(碳紙)、碳布、非織造布及碳黑紙等是常用的幾種電極材料。目前氣體擴散層有使用碳紙，也有使用碳布材料的。它們不僅有均勻的多孔質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性好，化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性好、且表面平整可減少電池內(nèi)部接觸電阻。在國外加拿大Ballard、德國SGL、日本東麗等公司都有工業(yè)化的碳紙生產(chǎn)?，F(xiàn)有國內(nèi)外用于電極擴散層的碳紙主要是復(fù)合碳紙材料，它由碳纖維、木漿、纖維素纖維或聚乙烯酸短纖維等可碳化纖維相混合，制成紙衆(zhòng)，然后制成碳紙。這種工藝制得的碳紙，由于其為了保證碳紙的強度，在其中加入了較多的非導(dǎo)電性材料，其碳纖維含量均低于90%，因此，造成電阻率較大，孔隙率及其結(jié)構(gòu)不夠合理
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維含量高于90%的用于電極氣體擴散層的碳纖維紙材料，這種材料具有良好的導(dǎo)電性，其電阻率低，孔隙分布均勻。本發(fā)明的另一目的在于提供一種制備上述碳纖維紙材料的方法，利用這種方法制備的碳纖維紙材料具有良好的導(dǎo)電性，其電阻率低，孔隙分布均勻。根據(jù)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供的用于燃料電池電極氣體擴散層的碳纖維紙材料，以短(切)碳纖維為造紙漿液原料，其特征在于，該短碳纖維的長度分布于0.5毫米至5.0毫米之間，其平均長度在1.0毫米至3.0毫米之間，其含量占重量百分比97.1%至99.1%。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在所述碳纖維紙材料中，所述碳纖維的電阻率為0.04至0.05Qcm。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，在所述碳纖維紙材料中，所述碳纖維為聚丙烯睛基碳纖維和瀝青基碳纖維之一或其組合。根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，在所述碳纖維紙材料中，所述碳纖維紙的面積重量為40至80g/m2。本發(fā)明還提供一種制備上述碳纖維紙材料的方法，包括下列步驟A準備碳纖維；B.將所述碳纖維切短，該切短后的短碳纖維的長度在0.5毫米至5.0毫米之間，其平均長度在1.0毫米至3.0毫米之間；C.選用小于1%的分散劑把所述短碳纖維分散于水相中，形成漿液原料，其中所述碳纖維的含量在97.1%至99.1%的重量百分比之間；D.利用濕法造紙成型法制得碳纖維紙材料。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述碳纖維的電阻率為0.04至0.05Q'cm。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述碳纖維為聚丙烯睛基碳纖維和瀝青基碳纖維之一或其組合。根據(jù)本發(fā)明的再一個方面所述碳纖維紙的面積重量為40至80g/m2。如上所述，由于在本發(fā)明的碳纖維紙材料中包含了不同長短的短碳纖維，這些不同長短的短纖維相互重疊纏合，形成優(yōu)良的導(dǎo)電體系，又具有分布均勻的孔隙，保證了氣體的均勻擴散，克服了傳統(tǒng)電極氣體擴散層的碳紙電阻率、孔隙率以及均勻度等方面的缺點。下面，將通過具體實施例，來詳細描述本發(fā)明。具體實施例方式作為燃料電池電極擴散層材料的碳纖維紙，其主要物理指標就是電阻率及孔隙率。電阻率低，孔隙率大且均勻，就能使燃料氣體均勻分散通過，電池組件的內(nèi)阻也就會降低，從而提高電流密度。影響碳纖維紙材料的電阻率及孔隙率指標有許多因素，如，選用的碳纖維本身的電阻率，碳纖維的長度及其分布情況，碳纖維的種類、碳纖維的表面情況以及結(jié)合特性，面積重量及厚度等等。經(jīng)發(fā)明人長期研究，其中，碳纖維的含量、碳纖維的長度及其分布是主要因素。因此，針對上述的研究結(jié)果，本發(fā)明認為，傳統(tǒng)的碳紙一般采用相同長度的短纖維，因此，在制備碳紙時必須加入有機纖維，以便提高制得的碳紙的強度。而有機纖維的加入必然會影響碳紙的電阻率，使電阻率提高，同時，也會造成碳紙的孔隙率減小，分布不均勻。根據(jù)本發(fā)明的上述構(gòu)思，本發(fā)明提供的用于燃料電池電極氣體擴散層的碳纖維紙材料，除了選用碳纖維之外，還對該纖維進行了處理，即將碳纖維進行短切，使其長度分布于0.5毫米至5.0毫米之間，同時控制其平均長度在l.O毫米至3.0毫米之間。由于選用了不同長度的碳纖維，這些不同長短的短纖維相互重疊纏合，能保證制得的碳纖維紙的強度，因而不需要如傳統(tǒng)的制各方法一樣，必須加入有機纖維，可以提高碳纖維在碳纖維紙中的含量(在本發(fā)明中可以達下面是制備本發(fā)明的碳纖維紙材料的工藝步驟首先，選擇碳纖維長絲；在本發(fā)明中，對于碳纖維的要求是具有良好的導(dǎo)電性，因此，較佳地，要求其電阻率在0.04至0.05Q'cm。符合這一要求的碳纖維包括聚丙烯睛基碳纖維和瀝青基碳纖維。在選用時，可以選擇使用其中一種纖維，也可以將兩種碳纖維混合選用。其次，對碳纖維長絲進行短切處理，即，將纖維長絲切成短纖維，并使其長度分布于0.5毫米至5.0毫米之間，同時控制其平均長度在1.0毫米至3.0毫米之間；然后，把切短后的碳纖維送入到含有分散劑的水相中，使碳纖維均勻分散。分散劑可選用聚乙烯醇、聚丙酸胺等，其加入量小于1%，碳纖維的含量控制在97.1%至99.1%重量百分比之間，其中最佳值在98.5%至99.1%;最后，將在上一步制得的造紙漿液，按濕法造紙成型法制得碳纖維紙材料。有關(guān)濕法造紙成型法是傳統(tǒng)的方法，因此，在此不再對其具體描述。需要補充說明的是，在上述制備過程中，也可以對碳纖維紙材料的面積重量進行控制，一般將其控制在40至80g/m2。但應(yīng)當理解，這一控制并非是本發(fā)明所必須的，在本發(fā)明中，也完全可以采用傳統(tǒng)的面積重量。在如上所述的本發(fā)明的用于燃料電池電極氣體擴散層的碳纖維紙材料及其制備方法中，由于利用了碳纖維長短組合的技術(shù)，因此，在制備過程中不需要加入影響導(dǎo)電性的有機纖維，從而可以大大提高碳纖維紙中的碳纖維的含量，可達到97.1%至99.1%(而傳統(tǒng)的碳紙中，含量一般都小于卯％)，提高碳纖維紙的導(dǎo)電性。下面，是本發(fā)明的幾個具體實例。實例l:選用聚丙烯睛基碳纖維，經(jīng)空氣氧化前處理幾秒至幾分鐘后，放入切斷機中進行切短，使其長度分布在0.5亳米至5.0亳米之間，其具體分布數(shù)據(jù)如下1毫米長占49%;2毫米長占32%;3毫米長占14%;5毫米長占5%。其平均長度為1.8毫米。然后放人含有0.5%分散劑的水相中，攪拌均勻，得到造紙漿液。其中分散劑選用聚乙烯醇。最后，利用傳統(tǒng)的濕法造紙成型法制得碳纖維紙材料，干燥后壓制得到碳纖維紙材料。本實例中制得的碳纖維紙材料的一些性能指標如下面積重量為40g/m2;厚度為0.14毫米；孔隙率為80%;密度為0.36g/cm3;電阻率為0.04Qcm。實例2:選用聚丙烯睛基碳纖維，經(jīng)空氣氧化前處理幾秒至幾分鐘后，放入切斷機中進行切短，使其長度分布在0.5亳米至5.0毫米之間，其具體分布數(shù)據(jù)如下1毫米長占1%;2毫米長占54%;3毫米長占29%:5毫米長占6%。其平均長度為2.36毫米。然后放入含有0.5%分散劑的水相中，攪拌均勻，得到造紙漿液。其中分散劑選用聚乙烯醇。最后，利用傳統(tǒng)的濕法造紙成型法制得碳纖維紙材料，干燥后壓制得到碳纖維紙材料。本實例中制得的碳纖維紙材料的一些性能指標如下面積重量為80g/m、厚度為0.22毫米;孔隙率為70%;密度為0.52g/cm3;電阻率為0.05Qcm。用于燃料電池電極氣體擴散層的碳纖維紙技術(shù)指標<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權(quán)利要求1、一種用于燃料電池電極氣體擴散層的碳纖維紙，其特征在于，該短碳纖維的長度分布于0.5毫米至5.0毫米之間，其平均長度在1.0毫米至3.0毫米之間，其含量占重量百分比97.1％至99.1％，碳纖維紙的厚度為00.14-0.22之間，氣孔率≥70％，體積密度0.36-0.52g/cm3，氣體透過率≤50mmH2O/mm，穿過碳紙的導(dǎo)電性≤0.16OHMcm，面積重量40-80g/m2，電阻率為0.04至0.05Ω·cm。2、一種制備如權(quán)利要求1所述的碳纖維紙材料的方法，以短碳纖維為造紙漿液原料，為聚丙烯睛基碳纖維和瀝青基碳纖維之一或其組合，包括下列步驟A.準備碳纖維；B.將所述碳纖維切短，該切短后的短碳纖維的長度在0.5毫米至5.0毫米之間，其平均長度在1.0毫米至3.0毫米之間；'C.選用小T1%的分散劑把所述短碳纖維分散于水相中，形成漿液原料，其中所述碳纖維的含量在97.1%至99.1%的重量百分比之間；D.利用濕法造紙成型法制得碳纖維紙材料。全文摘要一種用于燃料電池電極氣體擴散層的碳纖維紙，其特征在于將碳纖維切短，該切短后的短碳纖維的長度在0.5毫米至5.0毫米之間，其平均長度在1.0毫米至3.0毫米之間；選用小于1％的分散劑把所述短碳纖維分散于水相中，形成漿液原料，其中所述碳纖維的含量在97.1％至99.1％的重量百分比之間；利用濕法造紙成型法制得碳纖維紙材料。該短碳纖維的長度分布于0.5毫米至5.0毫米之間，其平均長度在1.0毫米至3.0毫米之間，其含量占重量百分比97.1％至99.1％，碳纖維紙的厚度為00.14-0.22之間，氣孔率≥70％，體積密度0.36-0.52g/cm³，氣體透過率≤50mmH²O/mm，穿過碳紙的導(dǎo)電性≤0.16OHMcm，面積重量40-80g/m²，電阻率為0.04至0.05Ω·cm。文檔編號D21H13/00GK101492895SQ20091001038公開日2009年7月29日申請日期2009年2月18日優(yōu)先權(quán)日2009年2月18日發(fā)明者程顯軍申請人:程顯軍