本發(fā)明屬于特種造紙、碳纖維材料制備交叉，具體為一種氫燃料電池用樹脂交聯(lián)定型碳纖維導(dǎo)電原紙及其制備工藝。

背景技術(shù)：

1、氫燃料電池作為一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)污染、運(yùn)行安靜等顯著優(yōu)點(diǎn)。其工作原理基于電解水的逆反應(yīng)，在陽(yáng)極，氫氣被氧化為氫離子和電子；在陰極，氧氣與氫離子和電子反應(yīng)生成水，完成電能的轉(zhuǎn)換。氫燃料電池在交通、分布式發(fā)電、儲(chǔ)能等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，如氫燃料電池汽車因其快速加注和長(zhǎng)續(xù)航里程成為未來(lái)汽車發(fā)展的重要方向。其關(guān)鍵部件包括質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層和雙極板，氣體擴(kuò)散層在燃料電池中起到支撐催化層、傳導(dǎo)氣體、排出反應(yīng)產(chǎn)物的重要作用，同時(shí)還是電流收集的重要載體。但同時(shí)，由于工作環(huán)境存在化學(xué)腐蝕，且性能要求高，適用于燃料電池氣體擴(kuò)散層的材料并不多，炭紙是已被日本東麗、德國(guó)西格里等國(guó)際公司商業(yè)化成功的材料，具有極高的商業(yè)潛力和價(jià)值。

2、炭紙是由碳纖維原紙經(jīng)過(guò)碳化、石墨化、疏水處理等工藝制備而成的，碳纖維原紙的結(jié)構(gòu)和性能決定著最終炭紙的品質(zhì)。然而，碳纖維本身具有界面惰性強(qiáng)、脆性大的特點(diǎn)，難以制備出具有高導(dǎo)電、高透氣的碳纖維原紙。

3、為了獲得高透氣度的碳纖維原紙，科技工作者先后用聚乙醇、酚醛樹脂等膠粘碳纖維，之后高溫固化獲得碳纖維原紙。例如，us20180069245中使用15%的聚乙烯醇膠粘碳纖維，成功制備了柔性碳纖維紙。cn202411510294.2則通過(guò)樹脂浸漬、熱壓、石墨化的方法制備了燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳纖維紙。us2006214320則通過(guò)與纖維素混抄、酚醛樹脂浸漬的方法，獲得了撓度在1.5～4.8mm的炭紙。此外，?cn102465475a以聚丙烯腈基碳纖維與蛇紋石棉絨混合，借濕法抄造工藝，成功制備出工業(yè)用高溫碳纖維電熱紙，但這些方法仍存在透氣度不足或引入雜質(zhì)的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)傳統(tǒng)碳纖維原紙的樹脂強(qiáng)化過(guò)程因難以精確控制而導(dǎo)致透氣度、導(dǎo)電性難兼顧的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種氫燃料電池用樹脂交聯(lián)定型碳纖維導(dǎo)電原紙及其制備工藝，以瀝青基碳纖維為骨架、芳綸漿粕為輔助成形纖維，通過(guò)低濃度酚醛樹脂浸漬和高溫碳化為強(qiáng)化，制備碳纖維導(dǎo)電紙，以解決碳纖維紙導(dǎo)電、透氣度之間的矛盾。

2、本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、一種氫燃料電池用樹脂交聯(lián)定型碳纖維導(dǎo)電原紙制備工藝，包括以下步驟：

4、s1，將芳綸漿粕撕碎并浸泡于去離子水中，獲得芳綸漿粕浸泡液a，之后加入peo分散劑，疏解分散獲得混合體系b；

5、s2，在混合體系b中加入碳纖維進(jìn)行再次疏解，經(jīng)濕法成形獲得碳纖維紙e；

6、s3，將碳纖維紙e浸漬于酚醛樹脂分散液f中，之后經(jīng)干燥和熱壓獲得碳纖維紙h；

7、s4，將碳纖維紙h在隔氧條件下進(jìn)行碳化處理，得到碳纖維導(dǎo)電原紙。

8、優(yōu)選的，芳綸漿粕的相關(guān)要求如下：長(zhǎng)度為3～8?mm，直徑為7～8?μm，電阻率為1.5～2.0?μω·m、拉伸強(qiáng)度為2.2～2.4gpa、斷裂伸長(zhǎng)率為0.25%～0.26%；

9、peo分散液的濃度為5~6g/l；所述去離子水的電導(dǎo)率為（0.08~0.1）μs/cm。

10、優(yōu)選的，在s1中，芳綸漿粕b與水的配比為1.0～1.2g:?2l，芳綸漿粕浸泡時(shí)間為（6~8）h以上；

11、所述peo分散劑的用量為碳纖維和芳綸漿粕總絕干質(zhì)量的（1.5~2.0）wt%，疏解時(shí)的轉(zhuǎn)數(shù)為（10000~20000）rpm。

12、優(yōu)選的，碳纖維紙e的制備方法為：

13、s21，在混合體系b中加入瀝青基碳纖維，混合均勻后再次疏解分散得到混合纖維漿料c；

14、s22，對(duì)混合纖維漿料c進(jìn)行勻漿、脫水，獲得濕紙幅d；

15、s23，濕紙幅d經(jīng)真空干燥處理獲得碳纖維紙e。

16、優(yōu)選的，在s21中，加入的瀝青基碳纖維與芳綸漿粕絕干質(zhì)量比例為（5~6）：4，疏解轉(zhuǎn)數(shù)為（5000~8000）rpm。

17、優(yōu)選的，在s23中，真空干燥處理時(shí)，溫度為（95~120）℃，時(shí)間為（15~20）min，真空度為（0.096-0.098）mpa。

18、優(yōu)選的，在s3中，酚醛樹脂分散液f由酚醛樹脂粉末溶于乙醇制備，其中，酚醛樹脂粉末固含量為(1~1.5)wt%；

19、浸漬時(shí)，碳纖維紙e完全浸沒(méi)于酚醛樹脂分散液f中，時(shí)間為(5~10)min；

20、干燥時(shí)，溫度為（95~110）℃，時(shí)間為（1~1.5）h；

21、熱壓時(shí)，溫度為（140~160）℃，壓力為（9~10）mpa，時(shí)間為（5~8）min。

22、優(yōu)選的，在s4中，碳化處理時(shí)，保護(hù)氣體為氬氣或者氮?dú)?，升溫速率為?~10）℃/min，保溫溫度為（700~1000）℃，保溫時(shí)間為（1~1.5）h。

23、一種由所述的氫燃料電池用樹脂交聯(lián)定型碳纖維導(dǎo)電原紙制備工藝得到的碳纖維導(dǎo)電原紙，該碳纖維導(dǎo)電原紙的透氣度為7635～8251?ml/min，方阻小于5ω/□。

24、一種氫燃料電池，該氫燃料電池以所述的碳纖維導(dǎo)電原紙作為氣體擴(kuò)散層。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

26、本發(fā)明一種氫燃料電池用樹脂交聯(lián)定型碳纖維導(dǎo)電原紙制備工藝以瀝青基碳纖維為骨架、以芳綸漿粕為輔助成形纖維、低濃度酚醛樹脂浸漬和高溫碳化為強(qiáng)化手段，制備具有高透氣度的碳纖維導(dǎo)電紙，解決碳纖維紙導(dǎo)電、透氣度之間的矛盾。

27、相比已公開(kāi)的工藝方案，首先在原料組分上進(jìn)行了優(yōu)化：一方面，引入芳綸漿粕纖維，通過(guò)芳綸漿粕分絲帚化后良好的分散性提高碳纖維原紙成紙勻度、促進(jìn)纖維交織；另一方面，采用低濃度的酚醛樹脂浸漬膠粘，避免孔隙的封堵。在這一結(jié)構(gòu)中，引入的芳綸漿粕原材料由苯環(huán)和酰胺鍵交替構(gòu)成，分子結(jié)構(gòu)含碳量高，引入的酚醛樹脂主要分子結(jié)構(gòu)是苯酚和甲醛，分子結(jié)構(gòu)含碳量高，碳化后含碳量進(jìn)一步提升，在原先纖維交織網(wǎng)絡(luò)之間形成更豐富的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有利于獲得更高電導(dǎo)率的紙張，提升紙張的綜合導(dǎo)電性能。

28、同時(shí)，引入的芳綸漿粕以其優(yōu)良的柔韌性和抓附力，可以提升成紙的柔韌性和強(qiáng)度，有效緩解碳纖維的脆性和界面惰性問(wèn)題，還能在碳化過(guò)程中形成豐富的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而顯著提升紙張的綜合導(dǎo)電性能，成功解決了碳纖維在強(qiáng)度、韌性和導(dǎo)電性能之間的矛盾。此外，芳綸漿粕的配比是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期工藝優(yōu)化確定的，如果芳綸漿粕含量過(guò)低，則紙張的勻度提升不明顯，柔韌性也不足；含量過(guò)高，將不利于樹脂的浸漬，容易封堵紙張的孔隙結(jié)構(gòu)。

29、進(jìn)一步的，本發(fā)明在引入芳綸漿粕輔助的基礎(chǔ)上，通過(guò)超低濃度的酚醛樹脂浸漬實(shí)現(xiàn)碳纖維與碳纖維、碳纖維與芳綸漿粕以及芳綸漿粕之間的交織點(diǎn)的粘結(jié)和強(qiáng)化。較低濃度的酚醛樹脂既可以保障對(duì)纖維接觸不足處的補(bǔ)充，便于后續(xù)碳化后導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，也避免堵塞成紙的孔隙，保障其高透氣度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了拉伸過(guò)程中應(yīng)力的傳遞，提升了力學(xué)強(qiáng)度，確保了紙張性能的實(shí)現(xiàn)。

30、進(jìn)一步的，本發(fā)明中優(yōu)選的芳綸漿粕末梢基團(tuán)含有豐富的氨基，與酚醛樹脂具有良好的相容性和自結(jié)合力，確保了低濃度下的高效能，其原理是芳綸漿粕末梢基團(tuán)與樹脂可以形成廣泛的氫鍵結(jié)合、酚醛樹脂固化可以交聯(lián)芳綸漿粕帚化纖絲，因此二者通過(guò)化學(xué)與物理共同作用的方式實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的結(jié)合。

31、進(jìn)一步的，本發(fā)明增加了高溫碳化的工藝流程，這是因?yàn)樵谠侠w維接觸不足處，滲透粘結(jié)固化的酚醛樹脂形成了緊密的網(wǎng)絡(luò)，高溫碳化后可以構(gòu)筑更豐富的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提高碳纖維紙的綜合導(dǎo)電性能。對(duì)升溫速率進(jìn)行限定，是因?yàn)樯郎厮俾蔬^(guò)快，酚醛樹脂的o、n等基團(tuán)揮發(fā)得快，會(huì)帶走部分c原子，造成殘?zhí)剂繙p少，不利于導(dǎo)電路徑構(gòu)建。對(duì)保溫溫度進(jìn)行限定是為了保證成紙的導(dǎo)電性能，溫度過(guò)高不利于節(jié)約能耗，溫度過(guò)低，碳化程度不足，難以形成碳元素導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法高效能提升碳纖維紙的導(dǎo)電性能。

32、本發(fā)明一種碳纖維導(dǎo)電原紙可適用于氫燃料電池氣體擴(kuò)散層，其主要功能包括電荷收集、通氣和導(dǎo)水，在電荷收集方面，憑借良好的導(dǎo)電性和低接觸電阻能夠高效地將電極反應(yīng)產(chǎn)生的電子傳遞到外電路，從而降低電池內(nèi)阻，提高電池的能量轉(zhuǎn)換效率。在通氣功能上，其多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)為反應(yīng)氣體提供了高效的傳輸通道，確保氫氣和氧氣能夠均勻、快速地到達(dá)催化劑層，促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行。而導(dǎo)水功能在于能夠及時(shí)排出電化學(xué)反應(yīng)生成的水，防止水淹現(xiàn)象的發(fā)生，避免阻礙氣體擴(kuò)散和電極反應(yīng)，確保電池的穩(wěn)定運(yùn)行，這些功能的共同作用，有助于提升氫燃料電池的性能和使用壽命。