本發(fā)明涉及直接甲醇燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于直接甲醇燃料電池的碳纖維及其制備方法。

背景技術(shù)：

燃料電池與傳統(tǒng)意義上的普通電池有著本質(zhì)上的差別。燃料電池只要源源不斷地提供氧化劑和燃料，就可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的發(fā)電。相反，普通電池由于不可以長時(shí)間持續(xù)的供給化學(xué)原料，因此無法實(shí)現(xiàn)無限供電。

被動(dòng)式直接甲醇燃料電池系統(tǒng)使用甲醇溶液作為燃料，通常利用毛細(xì)原理以及重力來運(yùn)作，它具有很多的優(yōu)點(diǎn)，能量密度高、燃料資源豐富、價(jià)格便宜、系統(tǒng)方便、體積細(xì)小、運(yùn)行簡單、噪聲小以及無污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來最有希望應(yīng)用于便攜式設(shè)備和交通工具的化學(xué)電源。

然而在直接甲醇燃料電池中，甲醇溶液往往穿過集電板開孔區(qū)域，直接與膜電極接觸，在運(yùn)行尤其是高濃度溶液運(yùn)行的情況下容易引起甲醇穿透現(xiàn)象，造成膜電極催化劑“中毒”等問題，對電池性能的消極影響不容忽視，限制了直接甲醇燃料電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種用于直接甲醇燃料電池的碳纖維及其制備方法。

本發(fā)明通過靜電紡絲技術(shù)以及熱處理工藝制得碳纖維，用于直接甲醇燃料電池陽極側(cè)陽極集電板和膜電極中間的鏤空部，有效阻止直接甲醇燃料電池在運(yùn)行尤其是高濃度溶液運(yùn)行所帶來的甲醇穿透，從而提高電池性能。

本發(fā)明目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種用于直接甲醇燃料電池的碳纖維的制備方法，包括如下步驟：

（1）制備分散液：將聚丙烯腈粉末添加到二甲基甲酰胺中，磁力攪拌分散，得到聚丙烯腈分散液；

（2）靜電紡絲：將得到的聚丙烯腈分散液置于靜電紡絲注射噴頭中，靜電紡絲，收集得到聚丙烯腈纖維；

（3）預(yù)氧化：將收集的聚丙烯腈纖維置于馬弗爐中，升溫預(yù)氧化，停止加熱，冷卻至室溫；

（4）炭化處理：將預(yù)氧化后冷至室溫的聚丙烯腈纖維置于管式爐中，氮?dú)夥諊?，升溫炭化處理，停止加熱，冷卻至室溫，得到所述用于直接甲醇燃料電池的碳纖維。

進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述聚丙烯腈與二甲基甲酰胺的料液比為1:10~1.8:10g/mL。

進(jìn)一步地，步驟（1）中，所述磁力攪拌的轉(zhuǎn)速為1000~3000r/min，攪拌的時(shí)間為2~4h。

進(jìn)一步地，步驟（2）中，所述靜電紡絲的參數(shù)為：電壓為10~20kV，接收距離為10~20cm，噴頭注射速度為0.4~0.6mL/h，紡絲時(shí)間為1-10h。

進(jìn)一步地，步驟（3）中，所述升溫的速率為10~60℃/min；所述升溫是升溫至250-280℃。

進(jìn)一步地，步驟（3）中，所述預(yù)氧化的時(shí)間為1~3h。

進(jìn)一步地，步驟（4）中，所述炭化處理的溫度為900~1300℃。

進(jìn)一步地，步驟（4）中，所述炭化處理的時(shí)間為20~40min。

進(jìn)一步地，步驟（4）中，所述升溫的程序?yàn)椋阂陨郎厮俾?~10℃/min緩慢升溫到600~700℃，保溫30~40min；隨后以升溫速率3~10℃/min緩慢升溫到900~1300℃。

由上述任一項(xiàng)所述制備方法制得的一種用于直接甲醇燃料電池的碳纖維。

制得的碳纖維具有致密的納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，用于直接甲醇燃料電池陽極側(cè)陽極集電板和膜電極中間的鏤空部，能夠有效地增大甲醇分子到達(dá)膜電極表面的阻力，減緩了甲醇直接穿透到電池陰極，并產(chǎn)生混合電勢，對電池性能造成的消極過程；從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定電池性能，提高能量輸出的目的。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

（1）本發(fā)明制備的用于直接甲醇燃料電池中，有效阻止高濃度溶液操作下帶來的甲醇穿透，能使直接甲醇燃料電池的性能提升高達(dá)24.6%；

（2）本發(fā)明制備方法簡單，綠色環(huán)保，對人體無害，無污染。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1制備的用于直接甲醇燃料電池的碳纖維的表面掃描電子顯微鏡圖；

圖2為實(shí)施例1制備的碳纖維用于直接甲醇燃料電池的裝配示意圖；

圖3為實(shí)施例1在甲醇溶液濃度為4mol/L條件下不加碳纖維與加入碳纖維的直接甲醇燃料電池性能對比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數(shù)，可參照常規(guī)技術(shù)進(jìn)行。

實(shí)施例1

（1）將0.548g聚丙烯腈粉末添加到5ml二甲基甲酰胺中，置于轉(zhuǎn)速為3000r/min磁力攪拌器中，攪拌2h，制備得到聚丙烯腈分散液；用1ml規(guī)格的注射器將抽取1ml聚丙烯腈分散液，置于靜電紡絲注射噴頭中，在gauge7針頭，紡絲電壓為15kV，接收距離為14cm的條件下注射紡絲，控制注射速度為0.4mL/h，每2.5h補(bǔ)充一次聚丙烯腈分散液，紡絲時(shí)間為5h，收集聚丙烯腈纖維；

（2）將制備所得的聚丙烯腈纖維置于馬弗爐中，按照30℃/min的升溫速率從室溫升溫到270℃，對其預(yù)氧化2h，待預(yù)氧化完成后，停止加熱，隨爐空冷至室溫；

（3）將預(yù)氧化完成的聚丙烯腈纖維置于管式爐，對管式爐中通入流量為50ml/min的氮?dú)?，排凈空氣后，在氮?dú)鈿夥障?，按?℃/min緩慢升溫到600℃，保溫30min，隨后按照5℃/min緩慢升溫到1250℃，使其炭化處理40min，待炭化完成后，停止加熱，隨爐空冷至室溫，即可制備得到用于直接甲醇燃料電池的碳纖維。

制得的用于直接甲醇燃料電池的碳纖維的SEM圖如圖1所示，由圖1可知，制得的碳纖維具有致密的納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；

將制得的碳纖維用于直接甲醇燃料電池，裝配示意圖如圖2所示，包括陽極燃料腔1、硅膠墊片2、陽極集電板3、聚四氟乙烯墊片4、碳纖維5、-膜電極6、陰極集電板7和陰極端蓋8；在甲醇溶液濃度為4mol/L條件下，運(yùn)行電池，與不加碳纖維的直接甲醇燃料電池的性能對比圖如圖3所示；由圖3可知，在4mol/L的甲醇濃度下，不加入碳纖維的最大功率密度為23.6 mW/cm²，加入碳纖維后的最大功率密度為29.4 mW/cm²，電池性能提升高達(dá)24.6%。

實(shí)施例2

（1）將0.700g聚丙烯腈粉末添加到5ml二甲基甲酰胺中，置于轉(zhuǎn)速為1000r/min磁力攪拌器中，攪拌2h，制備得到聚丙烯腈分散液；用1ml規(guī)格的注射器將抽取1ml聚丙烯腈分散液，置于靜電紡絲注射噴頭中，在gauge9針頭，紡絲電壓為10kV，接收距離為10cm的條件下注射紡絲，控制注射速度為0.5mL/h，每1h補(bǔ)充一次聚丙烯腈分散液，紡絲時(shí)間為1h，收集聚丙烯腈纖維；

（2）將制備所得的聚丙烯腈纖維置于馬弗爐中，按照10℃/min的升溫速率從室溫升溫到250℃，對其預(yù)氧化1h，待預(yù)氧化完成后，停止加熱，隨爐空冷至室溫；

（3）將預(yù)氧化完成的聚丙烯腈纖維置于管式爐，對管式爐中通入流量為60ml/min的氮?dú)?，排凈空氣后，在氮?dú)鈿夥障?，按?℃/min緩慢升溫到650℃，保溫30min，隨后按照8℃/min緩慢升溫到900℃，使其炭化處理30min，待炭化完成后，停止加熱，隨爐空冷至室溫，即可制備得到用于直接甲醇燃料電池的碳纖維。

制備的碳纖維的SEM圖參見圖1，具有致密的納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；將制得的碳纖維用于直接甲醇燃料電池，在4 mol/L的甲醇濃度下，電池性能提升高達(dá)11.3%。

實(shí)施例3

（1）將0.822g聚丙烯腈粉末添加到5ml二甲基甲酰胺中，置于轉(zhuǎn)速為3000r/min磁力攪拌器中，攪拌4h，制備得到聚丙烯腈分散液；用1ml規(guī)格的注射器將抽取1ml聚丙烯腈分散液，置于靜電紡絲注射噴頭中，在gauge8針頭，紡絲電壓為20kV，接收距離為20cm的條件下注射紡絲，控制注射速度為0.6mL/h，每2h補(bǔ)充一次聚丙烯腈分散液，紡絲時(shí)間為10h，收集聚丙烯腈纖維；

（2）將制備所得的聚丙烯腈纖維置于馬弗爐中，按照60℃/min的升溫速率從室溫升溫到280℃，對其預(yù)氧化3h，待預(yù)氧化完成后，停止加熱，隨爐空冷至室溫；

（3）將預(yù)氧化完成的聚丙烯腈纖維置于管式爐，對管式爐中通入流量為100ml/min的氮?dú)?，排凈空氣后，在氮?dú)鈿夥障拢凑?0℃/min緩慢升溫到700℃，保溫40min，隨后按照10℃/min緩慢升溫到1100℃，使其炭化處理40min，待炭化完成后，停止加熱，隨爐空冷至室溫，即可制備得到用于直接甲醇燃料電池的碳纖維。

制備的碳纖維的SEM圖參見圖1，具有致密的納米網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；將制得的碳纖維用于直接甲醇燃料電池，在4 mol/L的甲醇濃度下，電池性能提升高達(dá)18.4%。

如上所述便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。