專利名稱：：高強度碳化紙及其制備方法與用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明關(guān)于一種高強度碳化紙及其制造方法與用途；特定言之，本發(fā)明系關(guān)于一種可制造供燃料電池中的氣體擴散層材料用的碳化紙的方法及由此所提供的碳化紙。
背景技術(shù)：
：近年來，由于能源短缺及地球溫室效應(yīng)等因素，氫供系統(tǒng)的燃料電池(fuelcell)的發(fā)展已引起人們的注意。其原因主要在于燃料電池不但沒有非充電電池用完即丟棄所導(dǎo)致的環(huán)保上的問題，也可免除傳統(tǒng)充電電池必需進行耗時充電程序的缺點。此外，燃料電池的排放物(例如水)對環(huán)境也沒危害。在各種燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell,PEMFC)與直接甲醇燃料電池(directmethanolfuelcell,DMFC)由于可在低溫下操作，又可產(chǎn)生高電流密度，因此被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。舉例言之，PEMFC可使用于各種運輸工具(如機動車輛、船艇及飛機等)的動力系統(tǒng)，且可作為家用、醫(yī)院用、以及辦公大樓用的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的電源；DMFC則因具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積能量密度高、啟動時間短以及燃料補充方便等優(yōu)點，因此特別適合作為各種移動式或可攜式的動力來源。以PEMFC為例，其每一個單電池的主要構(gòu)件系包括膜電極組(membrane-electrodeassembly,MEA)以及具有氣體流道的雙極板(bipolarplates)。MEA通常是由一質(zhì)子交換膜(一般為高分子膜，作為電解質(zhì))、二分別位于該質(zhì)子交換膜兩側(cè)的觸媒層、及二分別置于該二觸媒層外側(cè)的氣體擴散層(另可稱為「電極氣體擴散層」)所組成。其中，可將觸媒直接涂覆于質(zhì)子交換膜兩側(cè)，以形成一經(jīng)觸媒涂覆的質(zhì)子交換膜，再于該經(jīng)涂覆質(zhì)子交換膜兩側(cè)各配置一氣體擴散層?；蛘?，可將觸媒涂覆于二氣體擴散層上，再將質(zhì)子交換膜配置于該二經(jīng)觸媒涂5覆的氣體擴散層之間，以提供一MEA。該MEA則插入二雙極板(通常為石墨材質(zhì))之間，再進行外殼的封裝，以提供一PEMFC。有關(guān)PEMFC的作用機制，大致為使作為燃料的氫氣透過氣體擴散層而進入陽極觸媒后，藉催化作用而產(chǎn)生氫離子與電子；其中電子經(jīng)由陽極導(dǎo)至外電路，以形成電流，氫離子則透過質(zhì)子交換膜抵達陰極觸媒。氧氣透過另一氣體擴散層輸入，以與氫離子及自外接電路送來的電子反應(yīng)生成水，所產(chǎn)生的水則可直接排放至外界環(huán)境。由以上說明可知，氣體擴散層具有兩項主要功能。第一項功能是藉由本身的多孔結(jié)構(gòu)使得反應(yīng)氣體能夠順利地擴散進入并均勻地分布在觸媒層上，以提供最大的電化學反應(yīng)面積；第二項功能是將陽極催化反應(yīng)所產(chǎn)生的電子導(dǎo)離陽極，以進入外電路，并同時將外電路來的電子導(dǎo)至陰極觸媒層?；诖?，氣體擴散層必須采用多孔性材質(zhì)且為電的良導(dǎo)體。此外，為避免氣體擴散層的孔洞被液態(tài)水分子占據(jù)，阻礙反應(yīng)氣體的傳送；因此，氣體擴散層通常必須先經(jīng)疏水性處理，讓反應(yīng)氣體與必要的水分子蒸氣能夠順利到達觸媒層。目前所用的氣體擴散層有兩種，一是碳布(carboncloth)，另一則是碳紙(carbonpaper)?，F(xiàn)有用于燃料電池的氣體擴散層的碳紙的制造方法，主要是采濕式造紙法，如美國專利第6，713，034號所敎示。概言之，濕式造紙法系先將具約O.5至5毫米的纖維長度的碳纖維或石墨纖維與木漿、纖維素纖維或聚乙烯纖維等材料混合成紙漿，之后透過如JISP-209方法進行加壓及干燥等程序以獲得含碳纖維紙張，接著將該紙張含浸于一樹脂中，再經(jīng)過熱壓、碳化等步驟，最后制得一碳紙。然而，根據(jù)上述造紙方式，為使碳纖維可均勻地分散而呈紙狀，必須大量使用非導(dǎo)電性材料(如木漿、纖維素纖維、或聚乙烯纖維)，致使所得碳紙的電阻率較高；同時，所制得碳紙的拉張強度亦不盡理想。然而，當在組裝電池組(例如包含2至100個單電池)時，使用具有高拉張強度的氣體擴散層材料可使組裝工程更為順利?；谏希景赴l(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，將聚酰胺摻雜于氧化纖維中并制成混紡織物，有利于提供具高強度與高導(dǎo)電性的碳化紙。尤其將所得碳化紙施用于燃料電池作為氣體擴散層材料時，該燃料電池可展現(xiàn)良好的功率密度與電流密度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一目的，在于提供一種制備高強度碳化紙的方法，包含以下步驟提供一混紡織物，該織物包含氧化纖維及聚酰胺纖維，其中以纖維總量計，該聚酰胺纖維的含量為1至90重量％;于一惰性氣體的保護下熱處理該混紡織物，其中熱處理溫度為400至2500。C，熱處理時間為5分鐘至120小時；含浸該經(jīng)熱處理的織物于一樹脂中；熱壓該經(jīng)含浸的織物，以得到一織物補強紙；以及碳化該織物補強紙。本發(fā)明的另一目的，在于提供一種高強度碳化紙，其系由如上所述的方法所制得。本發(fā)明的又一目的，在于提供一種燃料電池，其特點在于其陽極及陰極中至少一者系含有本發(fā)明的高強度碳化紙。圖l系根據(jù)本發(fā)明的一種制備本發(fā)明碳化紙的方法的流程圖2系本發(fā)明碳化紙的實體圖；以及圖3系含有本發(fā)明碳化紙的燃料電池與先前技術(shù)者的電池性能比較。具體實施例方式本發(fā)明制備高強度碳化紙的方法系包含以下步驟(a)提供一混紡織物，包含氧化纖維及聚酰胺纖維，其中以纖維總量計，該聚酰胺纖維的含量為1至90重量％;(b)于一惰性氣體的保護下熱處理該混紡織物，其中熱處理溫度為400至2500。C，熱處理時間為5分鐘至120小時；(C)含浸該經(jīng)熱處理的織物于一樹脂中；(d)熱壓該經(jīng)含浸的織物，以得到一織物補強紙；以及(e)碳化該織物補強紙。根據(jù)本發(fā)明方法，為避免纖維于熱處理過程中灰化，該熱處理步驟宜于惰性氣體保護下進行。舉例言之，可采用選自下列群組的惰性氣體以進行熱處理氮氣、氦氣、氬氣、及其組合。可進一步于熱處理步驟中控制混紡織物的收縮度或拉伸度，以調(diào)整所提供碳化織物的透氣度或強度。該控制可藉由調(diào)整混紡織物供應(yīng)至高溫爐(以進行熱處理)以及自高溫爐送出的速度而達成。具體言之，當混紡織物自高溫爐送出的速度小于其供應(yīng)速度時，則可收縮該混紡織物，此可避免所得碳化織物的透氣度過高；反之，則可拉伸該混紡織物，此可提高所得碳化織物的強度，有利于作為補強材料。一般而言，進行收縮控制時，系控制收縮度在40%以內(nèi)，較佳在25%以內(nèi)；而若進行拉伸控制，則控制拉伸度在25%以內(nèi)。本發(fā)明方法中的熱處理步驟可以兩階段的方式進行，即，為一兩階段的熱處理程序，包含第一熱處理步驟及第二熱處理步驟。其中，第一熱處理步驟系于400至1OOOT下進行，第二熱處理步驟則于IOOO至2500X下進行，該二熱處理步驟的進行時間各自為5分鐘至120小時。于此，當采用兩階段方式進行此一熱處理時，通常系于第一熱處理步驟中進行混紡織物的收縮或拉伸的控制。本發(fā)明所采的混紡織物含有氧化纖維及聚酰胺纖維，其中以纖維總量計，聚酰胺纖維的含量為1至90重量％，較佳為5至50重量％，更佳為IO至40重量％。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，聚酰胺纖維于上述熱處理后會形成具高導(dǎo)電性的碳化物。因此，于不受理論限制之下，通常越高的聚酰胺纖維摻混量，越有助于改善所得混紡織物的導(dǎo)電性，有利于最終所提供碳化紙作為氣體擴散層的材料?？捎诒景l(fā)明方法采用任何合宜的聚酰胺纖維。舉例言之，可采用芳族聚酰胺(aromaticpolyamide)纖維，其特定的實施方式如杜邦公司生產(chǎn)的Normex或Kevlar、帝人公司生產(chǎn)的Technora、及TeijinTwaron公司生產(chǎn)的Twaron等市售產(chǎn)品?？墒褂萌魏芜m合的氧化纖維于本發(fā)明方法。一般而言，該氧化纖維可經(jīng)由熱處理一選自以下群組的纖維所提供聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)纖維、瀝青纖維、酚醛纖維、纖維素纖維、及其組合。舉例言之，可經(jīng)由在空氣中、于200至30(TC的溫度下熱處理PAN纖維而提供適用于本發(fā)明的氧化纖維。亦可直接使用市售可得的防火纖維為本發(fā)明方法中的氧化纖維，例如SGLCarbonGroup公司出產(chǎn)的Panox、TohoTe腿公司出產(chǎn)的Pyromex、Zoltek公司出產(chǎn)的Pyron及Asahi8Kasei公司出產(chǎn)的Lastan等市售可得產(chǎn)品；該等防火纖維的直徑在13微米以上，密度在1.35克/立方公分以上，限氧指數(shù)(limitingoxygenindex,LOI)在40%以上。根據(jù)本發(fā)明方法，該混紡織物可經(jīng)由以下步驟提供(i)混合該氧化纖維與該聚酰胺纖維，以提供一纖維混合物；(ii)將該纖維混合物加以紡紗，以提供一混紡紗；以及(iii)將該混紡紗加以織布得到一混紡織布，以提供該混紡織物。舉例言之，可于混合步驟中，依照預(yù)訂重量比例將O.5至30公分(較佳為1至20公分)長的氧化纖維與聚酰胺纖維置入一混紡機內(nèi)以均勻分散的，得到混合均勻的纖維混合物。其中，氧化纖維與聚酰胺纖維的使用量與種類均如上述，于此不另行說明。接著，將所得纖維混合物加以紡紗。該紡紗步驟可采一次完成或利用一粗紡工程與一細紡工程而實施。以后者為例，先將纖維混合物進行3至10倍的牽伸以得到粗紗；再將所得粗紗進行8至15倍的牽伸以得到細紗，從而提供所欲的混紡紗。之后，可視需要對細紗進行并線工程，將兩股細紗并線而提供雙股形式的混紡紗。之后，可利用任何合宜的織布技術(shù)對該混紡紗進行織布工程，以提供混紡織布。舉例言之，可利用梭織法、針織法、或其組合；其中，當利用梭織法時，可提供具平紋編織或斜紋編織的混紡織布，當利用針織法時，則可提供具針織結(jié)構(gòu)的混紡織布。由此所提供的混紡織布通常具有以下物性厚度為O.1至1毫米，重量為50至500克/平方公尺，以及紗密度為10至100紗數(shù)/英吋。本發(fā)明方法中所用的混紡織物，亦可為經(jīng)由將含有氧化纖維與聚酰胺纖維的纖維混合物加以軋針所提供的混紡氈(mixedspunfelt)，此可透過一軋針機來達成。利用此方式所制得的混紡氈的厚度一般為0.l至2毫米，重量為40至500克/平方公尺。根據(jù)本發(fā)明方法，于熱處理步驟之后，將該經(jīng)熱處理的織物含浸于一樹脂中。熱固性樹脂、熱塑性樹脂、及其組合，皆可作為本發(fā)明含浸步驟的樹脂材料，較佳系采用于室溫下具有流動性(易于施行含浸步驟)且經(jīng)碳化后仍具導(dǎo)電性(避免影響所得碳化紙的導(dǎo)電性)的樹脂材料。舉例言之，用以含浸纖維織物的樹脂可包含(但不限于此)酚醛樹脂、呋喃樹脂、聚酰胺樹脂、聚酰亞胺樹脂、或其組合。其中，較佳系使用酚醛樹脂。藉由此含浸步驟，使織物于含浸后，以織物總重量計，含有0.01至40重量％的樹脂，較佳含有O.01至20重量％的樹脂?？梢匀魏魏弦说姆绞竭M行上述含浸步驟。舉例言之，可利用一擠壓裝置(squeezingapparatus)來輔助達成，其包含先將經(jīng)熱處理的織物浸漬于一樹脂液中，再透過該擠壓裝置擠壓該經(jīng)浸漬樹脂的織物，以使樹脂均勻分布于織物纖維間，并可藉由調(diào)整該擠壓裝置的滾輪而控制樹脂的施用量。接著，熱壓該經(jīng)樹脂含浸的織物以固化樹脂，得到一織物補強紙。根據(jù)本發(fā)明方法，該熱壓步驟一般系于50至320。C的溫度下及1至200公斤/平方公分的壓力下進行，較佳系于60至15(TC的溫度下及5至50公斤/平方公分的壓力下進行。熱壓所得的織物補強紙，一般具有0.05至0.7毫米的厚度。此外，在上述含浸步驟之后，可視情況先對經(jīng)含浸的織物進行一烘干操作，再接著進行熱壓程序。烘干作業(yè)一般系于60至120。C的溫度下進行，且可視需要于通氣下操作。最后，碳化該織物補強紙，以提供一碳化紙。根據(jù)本發(fā)明方法，該碳化步驟系于1000至3000。C的溫度下進行，歷時約2分鐘至48小時。于本發(fā)明方法的一具體實施方式中，為避免織物補強紙于熱處理過程中灰化，該碳化步驟系于真空條件下或一惰性氣體存在下進行。舉例言之(但不以此為限)，可于選自以下群組的氣體氛圍中進行此一碳化處理氮氣、氦氣、氬氣、及其組合。圖l系繪示根據(jù)本發(fā)明制備碳化紙方法的一操作流程，其中，可先將氧化纖維與聚酰胺纖維混合均勻后進行紡紗工程、織布工程以得到一混紡織布，或者進行軋針工程以得到一混紡氈；接著進行熱處理；其后，將經(jīng)熱處理后的織物含浸于一樹脂中；隨后，熱壓該經(jīng)含浸樹脂的織物以得到一織物補強紙；最后，進行碳化處理，獲得最終成品的高強度碳化紙。由上述方法所提供的碳化紙，其具高強度，且當施用于燃料電池的電極中以提供氣體擴散層時，可提供具良好電池效能(例如高功率密度及高電流密度)的燃料電池。因此，本發(fā)明另關(guān)于一種高強度碳化紙，其系以如上所述的方法而制得。除應(yīng)用于燃料電池外，該碳化紙另可作為抗電磁波材料及補強用復(fù)合材料。本發(fā)明碳化紙一般具有O.02至0.7毫米的厚度、20至250公克/平方公尺的重量、與不高于950raQ的穿透電阻及不高于l.0Q/sq.的表面電阻。較佳地，該碳化紙的穿透電阻(紙厚度方向的電阻)系不高于700raQ且表面電阻系不高于0.8Q/sq.。如上所述，本發(fā)明混合氧化纖維與聚酰胺纖維，并經(jīng)由熱處理以提供作為本發(fā)明碳化紙的織物補強材。如后附實施例中所顯示，相較于先前技術(shù)，本發(fā)明碳化紙的穿透電阻較低，即導(dǎo)電性較高，在燃料電池單電池測試中，可展現(xiàn)較高的電池效能(如電流密度與功率密度)。此外，相較于濕式造紙法所提供的碳化紙，本發(fā)明碳化紙所含織物補強材的空隙分布較為均勻，此可使氣體均勻地擴散，亦可確保燃料電池的效能。再者，本發(fā)明碳化紙具有不低于0.35MPa的拉張強度，較佳不低于0.45MPa，更佳不低于lMPa;此可彌補傳統(tǒng)濕式造紙法所得碳化紙拉伸強度不理想的缺失。同時，本發(fā)明碳化紙具有高撓曲性(如圖2所示)，可改善傳統(tǒng)碳化紙脆性的問題，有利于電池模組的組裝工程。本發(fā)明亦關(guān)于一種燃料電池，其特點在于其陽極與陰極中至少一者系含有本發(fā)明高強度碳化紙，較佳為陽極與陰極二者皆包含本發(fā)明高強度碳化紙。概言之，根據(jù)本發(fā)明的燃料電池主要包含一陽極氣體擴散層、一陰極氣體擴散層、及一位于該兩者之間的電解質(zhì)，其進一步含有位于該陽極氣體擴散層與該電解質(zhì)之間的陽極觸媒、及位于該陰極氣體擴散層與該電解質(zhì)之間的陰極觸媒，以進行催化反應(yīng)從而提供電能。如前述關(guān)于先前技術(shù)的說明，燃料電池中各元件的材料與結(jié)構(gòu)，系此
技術(shù)領(lǐng)域：
中具有通常知識者所熟知者。舉例言之，可參見中國臺灣專利第1272739號及美國專利公開第2007/0117005Al號，其所揭露內(nèi)容均并于此處以供參考。本發(fā)明燃料電池的實施方式包括質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)及直接甲醇燃料電池(DMFC)。以PEMFC為例，其一般包含由本發(fā)明碳化紙所構(gòu)成的陽極氣體擴散層及/或陰極氣體擴散層、作為電解質(zhì)的高分11子質(zhì)子交換膜(如杜邦公司的Nafion系列產(chǎn)品)、及貴重金屬觸媒層(如鈀或鉑觸媒)。或者，可直接使用覆有觸媒的質(zhì)子交換膜(如美國哥爾公司(Gore)販售產(chǎn)品，型號5621MESGA)與本發(fā)明的碳化紙搭配使用，以提供一PEMFC。如后附實施例所例示的電池性能測試結(jié)果顯示，含有本發(fā)明碳化紙的燃料電池，可展現(xiàn)良好的功率密度與電流密度。茲以下列具體實施方式以進一步例示說明本發(fā)明，其中，所采用的量測儀器及方法分別如下(A)透氣度量測方法透氣度量測儀GurleyModel4320，美國測量規(guī)范ASTMD726-58透氣度用圓桶容量300cc透氣度用圓桶重量5OZ量測面積l平方英吋將試樣置入透氣度量測儀的托架中，參照ASTMD726-58測試標準程序操作軟體。(B)電池性能量測方法電池測試機臺FCEDPD50AsiaFuelCellTechnologies,Ltd.電池負載機型號Chroma63103測試條件陽極燃料氫氣(99.999%)，流速200c.c./分鐘陰極燃料氧氣(工業(yè)用)，流速200c.c./分鐘陽極陰極増濕溫度40°C增濕瓶出口相對濕度90%電池測試溫度40°C電池組裝扭力40公斤重-公分(kgfcm)電池反應(yīng)面積25平方公分將試片裁切為5公分x5公分大小，將其與美國Gore所生產(chǎn)的經(jīng)觸媒涂覆膜(catalyst-coatedmembrane，CCM，型號PRIMEASeries5621MESGA，具有35微米厚度及45Pt合金/60Pt)，以40公斤重-公分扭力組合，雙極板采用具柵欄狀(gate-type)的溝渠的石墨板，最后再利12用不銹鋼板及聚四氟乙烯襯墊(TeflonGasket)封裝成一個測試用的單電池，以進行測試。(C)穿透電阻量測方法湖B式標準ASTM-D6120利用真密度儀得到一試片的真實體積(Val)，將真實體積除以試樣厚度，計算受l巴壓力下每l平方公分的真實面積(A，,)。利用兩銅片夾住試片，在強力試驗機下設(shè)定終點荷重l巴，連結(jié)電阻計得到受l巴壓力下的電阻值，并利用下列公式換算得到電阻系數(shù)電阻值(Q)=電阻系數(shù)(p)x厚度/真實面積(D)拉伸試驗量測方法測試標準ASTM-D790儀器設(shè)備駿彥精機萬能試驗機(型號CY-6040A8)測試條件橋距為10毫米，夾頭速度為2毫米/分鐘撓曲強度(flexuralorbendingstrength)-撓曲模數(shù)(flexuralorbendingmodulus)'丄3Y尸、物3A^乂P/S:S-S曲線初始斜率Pmax:最大負荷(公斤，Kg)L:橋距b:試片寬度t:試片厚度(E)表面電阻測試方法表面電阻測試機臺LorestaGPModelMCP-T600，Mitubishi化學公司(MitubishiChemicalCorp.)將試片裁切為5公分x5公分大小，依照JISK7194規(guī)范進行測試。13實施例l采用由Zoltek公司所生產(chǎn)的Pyron作為氧化纖維及TeijinTwaron公司所產(chǎn)生的Twaron作為聚酰胺纖維，纖維長度為5公分。將60重量％的氧化纖維與40重量％的聚酰胺纖維均勻混合后，進行軋針工程，制得一厚度為O.79毫米且重量為160克/平方公尺的混紡氈。將上述混紡氈先于氮氣保護下，在1000T下進行熱處理歷時5分鐘，以提供一預(yù)碳化混紡氈；再將該混紡氈含浸于酚醛樹脂(中國臺灣長春人造公司制造，型號PF-650)之中。接著，將經(jīng)含浸的混紡氈于70。C下烘干15分鐘，再于170。C下熱壓處理15分鐘，使酚醛樹脂完全硬化。最后，于氮氣保護下，在1400。C下熱處理5分鐘，獲得厚度為O.42毫米且重量為117克/平方公尺的具多孔性的高強度碳化紙。利用上述測試方法進行各項測試，其中于電池性能測試中，所得碳化紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表l所列，電池效能結(jié)果系如表2及圖3中所示。實施例2使用與實施例l相同的原料與步驟，惟混紡氈系于氮氣保護下，在1800。C下進行熱處理5分鐘，以提供一預(yù)碳化混紡氈。所得碳化紙厚度為0.52毫米且重量為107克/平方公尺。利用上述測試方法進行各項測試，其中于電池性能測試中，所得碳化紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表1所列，電池效能結(jié)果系如表2及圖3中所示。實施例3采用由TohoTenax公司所生產(chǎn)的Pyromex作為氧化纖維及TeijinTwaron公司所產(chǎn)生的Twaron作為聚酰胺纖維，該等纖維均為長度為50毫米的短纖維。將70重量％的氧化纖維與30重量％的聚酰胺纖維均勻混合后，經(jīng)過粗紡機的延伸，形成粗紗；再經(jīng)過細紗機的再次延伸，得到細紗。接著，再進行并線，以得到具有20/2s'的兩股紗線。使用所得兩股紗線作為經(jīng)紗和緯紗，以分別為32紗線/英吋及26紗線/英吋的經(jīng)紗密度和緯紗密度進行編織，得到一厚度為O.57毫米且重14量為250克/平方公尺的混紡織布。將上述混紡織布先于氮氣保護下，在1000。C下進行熱處理歷時5分鐘，并控制織物的收縮度為20%，以提供一預(yù)碳化混紡織布；再將該混紡織布含浸于酚醛樹脂(中國臺灣長春人造公司制造，型號PF-650)之中。接著，將經(jīng)含浸的混紡織布于70。C下烘干15分鐘，再于170。C下熱壓處理15分鐘，使酚醛樹脂完全硬化。最后，于氮氣保護下，在1400。C下熱處理5分鐘，獲得厚度為O.50毫米且重量為145克/平方公尺的具多孔性的高強度碳化紙。利用上述測試方法進行各項測試，其中于電池性能測試中，所得碳化紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表l所列，電池效能結(jié)果系如表2及圖3中所示。實施例4使用與實施例3相同的原料與步驟，惟混紡織布系于氮氣保護下，在180(TC下進行熱處理5分鐘，以提供一預(yù)碳化混紡織布。所得碳化紙厚度為O.54毫米且重量為144克/平方公尺。利用上述測試方法進行各項測試，其中于電池性能測試中，所得碳化紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表l所列，電池效能結(jié)果系如表2及圖3中所示。實施例5采用由TohoTenax公司所生產(chǎn)的Pyromex作為氧化纖維及帝人公司所產(chǎn)生的Technora作為聚酰胺纖維，該等纖維均為長度為50毫米的短纖維。重復(fù)實施例3的混紡、紡紗及并線步驟以得到具有20/2s'的兩股紗線；惟，采用86重量％的氧化纖維及14重量％的聚酰胺纖維的纖維混合物。使用所得兩股紗線作為經(jīng)紗和緯紗，以分別為27紗線/英吋及24紗線/英吋的經(jīng)紗密度和緯紗密度，進行平紋編織，得到一厚度為0.47毫米且重量為215克/平方公尺的混紡織布。將上述混紡織布先于氮氣保護下，在1800。C下進行熱處理歷時5分鐘，并控制織物的收縮度為20%，以提供一預(yù)碳化混紡織布；再將該混紡織布含浸于酚酸樹脂(中國臺灣長春人造公司制造，型號PF-650)之中。接著，將經(jīng)含浸的混紡織布于7(TC下烘干15分鐘，再于170X下熱壓處理15分鐘，使酚醛樹脂完全硬化。最后，于氮氣保護下，在1400。C下熱處理5分鐘，獲得厚度為O.39毫米且重量為121克/平方公尺的具多孔性的高強度碳化紙。利用上述測試方法進行各項測試，其中于電池性能測試中，所得碳化紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表l所列，電池效能結(jié)果系如表2及圖3中所示。比較實施例l采用Toray公司所生產(chǎn)的商用碳紙，型號為TGPH-120，厚度為0.37毫米，重量為171克/平方公尺。利用上述測試方法進行各項測試，其中于電池性能測試中，該商用碳紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表l所列，電池效能結(jié)果系如表2及圖3中所示。比較實施例2采用Toray公司所生產(chǎn)的商用碳紙，型號為TGPH-090，厚度為0.28毫米，重量為162克/平方公尺。利用上述測試方法進行各項測試，其中于電池性能測試中，該商用碳紙系用于陽極與陰極，量測的各性質(zhì)系如表l所列，電池效能結(jié)果系如表2及圖3中所示。16<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>由表1及表2可知，相較于商用碳紙(比較例1及2)，本發(fā)明碳化紙(實施例1至5)的穿透電阻較低，即于厚度方向具有較佳的導(dǎo)電性。同時，本發(fā)明碳化紙(實施例1至5)具有較佳的拉張強度，非常適用于電池組的組裝工程的需求。上述的實施例僅用以例舉說明本發(fā)明的實施方式，以及闡釋本發(fā)明的技術(shù)特征，并非用以限制本發(fā)明的保護范疇。任何熟悉本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
者可輕易完成的改變或均等性的安排均屬于本發(fā)明所主張的范圍，本發(fā)明的權(quán)利保護范圍應(yīng)以下述的申請專利范圍為準。權(quán)利要求1.一種制備高強度碳化紙的方法，包含以下步驟提供一混紡織物，包含氧化纖維及聚酰胺纖維，其中以纖維總量計，該聚酰胺纖維的含量為1至90重量％；于一惰性氣體的保護下熱處理該混紡織物，其中熱處理溫度為400至2500℃，熱處理時間為5分鐘至120小時；含浸該經(jīng)熱處理的織物于一樹脂中；熱壓該經(jīng)含浸的織物，以得到一織物補強紙；以及碳化該織物補強紙。2.如權(quán)利要求l所述的方法，其中系于該熱處理步驟中控制該混紡織物的纖維收縮度于40%以內(nèi)。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中系于該熱處理步驟中控制該混紡織物的纖維收縮度于25%以內(nèi)。4.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該惰性氣體系選自以下群組氮氣、氦氣、氬氣、或其組合。5.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該熱處理步驟系包含一第一熱處理步驟及一第二熱處理步驟，該第一熱處理步驟系于400至100(TC下進行歷時5分鐘至120小時，該第二熱處理步驟系于1000至2500。C下進行歷時5分鐘至120小時。6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中系于該第一熱處理步驟中控制該混紡織物的纖維收縮度于40%以內(nèi)。7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中系于該第一熱處理步驟中控制該混紡織物的纖維收縮度于25%以內(nèi)。8.如權(quán)利要求l所述的方法，其中于該混紡織物中，以纖維總量計，該聚酰胺纖維的含量為5至50重量％。9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中于該混紡織物中，以纖維總量計，該聚酰胺纖維的含量為10至40重量％。10.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該聚酰胺纖維包含環(huán)狀聚酰胺纖維。11.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該氧化纖維系由熱處理一選自以下群組的纖維所提供聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、酚醛纖維、纖維素纖維、或其組合。12.如權(quán)利要求ll所述的方法，其中該氧化纖維系由熱處理聚丙烯腈纖維所提供。13.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該氧化纖維與該聚酰胺纖維的長度為O.5至30公分。14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中該氧化纖維與該聚酰胺纖維的長度為O.5至20公分。15.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該混紡織物系經(jīng)以下步驟制得混合該氧化纖維與該聚酰胺纖維，以提供一纖維混合物；將該纖維混合物加以紡紗，以提供一混紡紗；以及將該混紡紗加以織布，以提供該混紡織物。16.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該混紡織物系經(jīng)以下步驟制得混合該氧化纖維與該聚酰胺纖維，以提供一纖維混合物；以及將該纖維混合物加以軋針，以提供該混紡織物。17.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該含浸步驟系使含浸后的織物含有O.01至40重量％的樹脂(以織物總重計)。18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中該含浸步驟系使含浸后的織物含有O.01至20重量％的樹脂(以織物總重計)。19.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該樹脂系選自以下群組酚醛樹脂、呋喃樹酯、聚酰胺樹酯、聚酰亞胺樹酯、或其組合。20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中該樹脂系酚醛樹脂。21.如權(quán)利要求l所述的方法，進一步包含于該含浸步驟后、該碳化步驟前，于60至120。C下烘干該經(jīng)含浸的織物。22.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該熱壓步驟系于50至320。C的溫度下及l(fā)至200公斤/平方公分的壓力下進行。23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該熱壓步驟系于60至150。C的溫度下及5至50公斤/平方公分的壓力下進行。24.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該碳化步驟系于1000至3000。C下進行歷時2分鐘至48小時。25.如權(quán)利要求l所述的方法，其中該碳化步驟系于真空條件下或一惰性氣體存在下進行。26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中該惰性氣體系選自以下群組氮氣、氦氣、氬氣、或其組合。27.—種高強度碳化紙，其系以如權(quán)利要求1至26中任一項所述的方法制備而得。28.如權(quán)利要求27所述的碳化紙，其拉張強度系不低于O.35MPa。29.如權(quán)利要求27所述的碳化紙，其系作為抗電磁波材料或補強用復(fù)合材料、或用于燃料電池的氣體擴散層材料。30.—種燃料電池，其特征在于其陽極及陰極中至少一者含有如權(quán)利要求27至29中任一項所述的碳化紙。31.如權(quán)利要求30的燃料電池，其中該陽極與陰極皆由如權(quán)利要求27至29中任一項的碳化織物所構(gòu)成。32.如權(quán)利要求30的燃料電池，其系一質(zhì)子交換膜燃料電池或一直接甲醇燃料電池。全文摘要一種高強度碳化紙及其制備方法及用途，該碳化紙系包含含有氧化纖維及聚酰胺纖維的混紡織物作為補強材，其具良好拉張強度與導(dǎo)電性，且以該碳化紙作為燃料電池的氣體擴散層材料時，該燃料電池可提供優(yōu)異的電池性能。本發(fā)明碳化紙亦可用作抗電磁波材料及補強用復(fù)合材料。文檔編號D21H27/00GK101463578SQ200710300508公開日2009年6月24日申請日期2007年12月19日優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日發(fā)明者劉璟翰,廖元楷,林瑞祥,柯澤豪,洪志榮,黃建鈞申請人:逢甲大學