本發明涉及直接甲醇燃料電池技術領域，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：

燃料電池與傳統意義上的普通電池有著本質上的差別。燃料電池只要源源不斷地提供氧化劑和燃料，就可以實現持續的發電。相反，普通電池由于不可以長時間持續的供給化學原料，因此無法實現無限供電。

被動式直接甲醇燃料電池系統使用甲醇溶液作為燃料，通常利用毛細原理以及重力來運作，它具有很多的優點，能量密度高、燃料資源豐富、價格便宜、系統方便、體積細小、運行簡單、噪聲小以及無污染等優點，被認為是未來最有希望應用于便攜式設備和交通工具的化學電源。

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域，直接與膜電極接觸，在運行尤其是高濃度溶液運行的情況下容易引起甲醇穿透現象，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現商業化。

技術實現要素：

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

本發明通過靜電紡絲技術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行尤其是高濃度溶液運行所帶來的甲醇穿透，從而提高電池性能。

本發明目的通過如下技術方案實現。

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

（4）炭化處理：將預氧化后冷至室溫的聚丙烯腈纖維置于管式爐中，氮氣氛圍下，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。

進一步地，步驟（1）中，所述磁力攪拌的轉速為1000~3000r/min，攪拌的時間為2~4h。

進一步地，步驟（2）中，所述靜電紡絲的參數為：電壓為10~20kV，接收距離為10~20cm，噴頭注射速度為0.4~0.6mL/h，紡絲時間為1-10h。

進一步地，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℃。

進一步地，步驟（3）中，所述預氧化的時間為1~3h。

進一步地，步驟（4）中，所述炭化處理的溫度為900~1300℃。

進一步地，步驟（4）中，所述炭化處理的時間為20~40min。

進一步地，步驟（4）中，所述升溫的程序為：以升溫速率3~10℃/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狀結構，用于直接甲醇燃料電池陽極側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膜電極表面的阻力，減緩了甲醇直接穿透到電池陰極，并產生混合電勢，對電池性能造成的消極過程；從而實現了穩定電池性能，提高能量輸出的目的。

與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果：

（1）本發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24.6%；

（2）本發明制備方法簡單，綠色環保，對人體無害，無污染。

附圖說明

圖1為實施例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。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述，但本發明的實施方式不限于此，對于未特別注明的工藝參數，可參照常規技術進行。

實施例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補充一次聚丙烯腈分散液，紡絲時間為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℃，對其預氧化2h，待預氧化完成后，停止加熱，隨爐空冷至室溫；

（3）將預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的氮氣，排凈空氣后，在氮氣氣氛下，按照5℃/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狀結構；

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24.6%。

實施例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補充一次聚丙烯腈分散液，紡絲時間為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℃，對其預氧化1h，待預氧化完成后，停止加熱，隨爐空冷至室溫；

（3）將預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的氮氣，排凈空氣后，在氮氣氣氛下，按照3℃/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，具有致密的納米網狀結構；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11.3%。

實施例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補充一次聚丙烯腈分散液，紡絲時間為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℃，對其預氧化3h，待預氧化完成后，停止加熱，隨爐空冷至室溫；

（3）將預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的氮氣，排凈空氣后，在氮氣氣氛下，按照10℃/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，具有致密的納米網狀結構；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18.4%。

如上所述便可較好地實現本發明。

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