專利名稱：碳纖維紙的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電極材料，尤其涉及一種適用于燃料電池電極氣 體擴(kuò)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。
背景技術(shù)：
氣體擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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)。現(xiàn)有國內(nèi)外用于電極 擴(kuò)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，制成紙漿，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(qiáng)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)容本實(shí)用新型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(kuò)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。本實(shí)用新型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)本實(shí)用新型的上述目的，本實(shí)用新型提供的用于燃料電池電極氣體擴(kuò)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. 至 99. 1%。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)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. 05 Ω · cm。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，在所述碳纖維紙材料中，所述碳纖維為聚丙烯睛 基碳纖維和浙青基碳纖維之一或其組合。根據(jù)本實(shí)用新型的再一個(gè)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。本實(shí)用新型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(zhǔn)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. 至99. 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)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，所述碳纖維的電阻率為0. 04至0. 05 Ω · cm。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，所述碳纖維為聚丙烯睛基碳纖維和浙青基碳纖維之一或其組合。根據(jù)本實(shí)用新型的再一個(gè)方面所述碳纖維紙的面積重量為40至80g/m2。如上所述，由于在本實(shí)用新型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(kuò)散，克服了傳統(tǒng)電極氣體擴(kuò)散層的碳紙電阻率、孔隙率以及均勻度等方面的 缺點(diǎn)。下面，將通過具體實(shí)施例，來詳細(xì)描述本實(shí)用新型。
圖1為本實(shí)用新型的立體示意簡圖具體實(shí)施方式
在圖1所示的碳纖維紙立體示意簡圖中，由一毫米長碳纖維短切絲1、二毫米 長碳纖維短切絲2、三毫米長碳纖維短切絲3和五毫米長碳纖維短切絲4組成了厚度 0. 14-0. 22mm5、方形或長方形的碳纖維紙6。作為燃料電池電極擴(kuò)散層材料的碳纖維紙，其主要物理指標(biāo)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(biāo)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)實(shí)用新型人長期研究，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，本實(shí)用新型認(rèn)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(shí)必須加入有機(jī)纖維，以便提高制得的碳紙的強(qiáng)度。而有機(jī)纖維的 加入必然會影響碳紙的電阻率，使電阻率提高，同時(shí)，也會造成碳紙的孔隙率減小，分布不 均勻。根據(jù)本實(shí)用新型的上述構(gòu)思，本實(shí)用新型提供的用于燃料電池電極氣體擴(kuò)散層的 碳纖維紙材料，除了選用碳纖維之外，還對該纖維進(jìn)行了處理，即將碳纖維進(jìn)行短切，使其 長度分布于0. 5毫米至5. 0毫米之間，同時(shí)控制其平均長度在1. 0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(qiáng)度，因而不需要如傳統(tǒng)的制各方法一樣，必須加入有機(jī)纖維，可以提高碳纖維在碳纖 維紙中的含量(在本實(shí)用新型中可以達(dá)到97. 至99. 重量百分比)，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(kuò)散。下面是制備本實(shí)用新型的碳纖維紙材料的工藝步驟首先，選擇碳纖維長絲；在本實(shí)用新型中，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0.05Ω -Cm0符合這一要求的碳纖維包括聚丙烯 睛基碳纖維和浙青基碳纖維。在選用時(shí)，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(jìn)行短切處理，S卩，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(shí)控制其平均長度在1. 0毫米至3. 0毫米之間；
4[0028]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. 至99. 重 量百分比之間，其中最佳值在98. 5%至99. ；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(bǔ)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(jìn)行 控制，一般將其控制在40至80g/m2。但應(yīng)當(dāng)理解，這一控制并非是本實(shí)用新型所必須的，在 本實(shí)用新型中，也完全可以采用傳統(tǒng)的面積重量。在如上所述的本實(shí)用新型的用于燃料電池電極氣體擴(kuò)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(jī)纖維，從而可以大大提高碳纖維紙中的碳纖維的含量，可達(dá)到97. 至99. 1% (而傳統(tǒng)的碳紙中，含量一般都小于90% )，提高碳纖維紙的導(dǎo)電性。下面，是本實(shí)用新型的幾個(gè)具體實(shí)例。實(shí)例1 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(jī) 中進(jìn)行切短，使其長度分布在0. 5毫米至5. 0毫米之間，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(shí)例中制得的碳纖維紙材料的一些性能指標(biāo)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. 04 Ω · cm ο實(shí)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(jī)中進(jìn)行 切短，使其長度分布在0. 5毫米至5. 0毫米之間，其具體分布數(shù)據(jù)如下1毫米長占;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(shí)例中制得的碳纖維紙材料的一些性能指標(biāo)如下面積重量為80g/m2 ；厚度為0. 22毫米；孔隙率為70% ；密度為0. 52g/cm3 ；電阻率 為 0. 05 Ω · cm。
權(quán)利要求一種用于燃料電池電極氣體擴(kuò)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％。
專利摘要一種用于燃料電池電極氣體擴(kuò)散層的碳纖維紙，其特征在于，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；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。
文檔編號H01M4/98GK201730022SQ20102015693
公開日2011年2月2日 申請日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者賈欣博 申請人:程顯軍