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专利号: 2017102479809
申请人: 王敏
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 基本电气元件
更新日期:2024-11-12
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种利用石墨烯碳素纤维导电纸制作燃料电池多孔扩散层电极板的方法,其特征在于,具体步骤如下:(1)石墨烯碳素纤维导电纸的浸胶

将改性酚醛树脂与环氧树脂按重量比1:1混合后,采用丙酮与乙醇重量比1:1的稀释液进行稀释,形成浸胶液;按重量百分比计,浸胶液中,改性酚醛树脂占20~30%,环氧树脂占

20~30%,余量为稀释液,温度保持在30~40℃倒入浸胶池中待用;

选用石墨烯碳素纤维导电纸,并安装到浸胶机生产线上进行浸胶,将石墨烯碳素纤维导电纸经导轮引入浸胶液,浸胶后的石墨烯碳素纤维导电纸经挤压辊、导辊进入烘干隧道,进行烘干、裁片;

(2)压制电极板

选用厚度3~5mm的不锈钢板为模板,将模板清理干净无尘,先在厚度为3~5mm的冷轧钢板上铺每平方米80克的牛皮纸8~10张,再在牛皮纸上铺不锈钢板,在不锈钢板上依次铺设聚乙烯离型膜、浸过胶的石墨烯碳素纤维导电纸、聚乙烯离型膜、不锈钢板、牛皮纸和冷轧钢板,形成预压品,将预压品装入热压机中进行压制;

(3)碳化

选择温度可达2800~3300℃的碳化炉,压制好的电极板用碳化极板压制好装入碳化炉进行碳化;

石墨烯碳素纤维导电纸的制备过程包括如下步骤:

(1)石墨烯粉体的表面处理

表面活性处理液采用浓度为95wt%以上的乙醇、纯净水、硅烷偶联剂进行调制,配置的重量比例为(40~60):(40~60):(5~15);

将石墨烯粉体、表面活性处理液依次投入搅拌反应釜,石墨烯粉体与表面活性处理液的重量比例为1:(1~3),低速500~1000转/分搅拌3~6分钟,再进行高速2000~3000转/分搅拌30~90分钟,搅拌时反应釜保持温度在50±5℃,搅拌后的石墨烯粉体混合液待用;

(2)短切碳纤维的表面处理

表面活性处理液采用浓度为95wt%以上的乙醇、纯净水、硅烷偶联剂进行调制,配置的重量比例为(40~60):(40~60):(5~15);

将短切碳纤维、表面活性处理液一并投入搅拌反应釜,短切碳纤维与表面活性处理液的重量比例为1:(1~3),即1公斤短切碳纤维加入1~3公斤表面活性处理液,低速500~

1000转/分搅拌3~6分钟,再进行高速2000~3000转/分搅拌30~90分钟,搅拌时反应釜保持温度在50±5℃,搅拌后的短切碳纤维混合液待用;

(3)将植物纤维原木浆和水依次放入碎浆机中,植物纤维原木浆和水的重量比例为1:

(2~4),进行高速2000~3000转/分搅拌碎浆,搅拌后的植物纤维混合液待用;

(4)取处理过的石墨烯粉体混合液、短切碳纤维混合液和植物纤维混合液,植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液、短切碳纤维混合液三者的重量比例为(2~3):(95~96):(2~3);

先将石墨烯粉体混合液、植物纤维混合液和三分之一的短切碳纤维混合液在磨浆搅拌池中,再向磨浆搅拌池中放入占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量0.2~0.3%的浆内施胶,浆内施胶为水性液体酚醛树脂,开动磨盘搅拌机进行磨合搅拌;

将磨盘搅拌机的负荷电流调在满负荷的状态下,运转1~2小时;当电流逐渐下降叩解度达到30°~40°SR时,并且观察不到短切纤维后,将所剩短切碳纤维混合液的一半加入磨浆搅拌池中,并加入所剩短切碳纤维混合液重量一倍的水,继续磨合搅拌1~2小时;再将磨盘搅拌机的磨合盘完全放开,将所剩短切碳纤维混合液全部加入;再向磨浆搅拌池中放入占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量0.2~0.3%的浆内施胶,浆内施胶为水性液体酚醛树脂,磨合搅拌20~40分钟后在加入助留剂、分散剂、挺硬剂继续搅拌20~40分钟后,全部放入成浆池;向成浆池中加入占所有物质总量的4~5倍的水,并开动成浆池中的搅拌机,搅拌1~2小时后形成浆料,准备抄纸;

(5)造纸机带水运行,将造纸机中的毛毯润湿,待造纸机的烘缸达到90~95℃时,将造纸机的运行速度调到600~700转/分钟;

将浆料通过浆泵输送到离地面3~5米高的成浆高位箱,并将水通过水泵输送到离地面

3~5米高的稀释用水高位箱,打开两个高位箱的阀门,以1:(2~3)的重量比例向低于两个高位箱0.5~1.5米的稀释混浆箱放入浆料和水进行混合稀释,将混合稀释后的纸浆放入网箱开始上网抄纸,经过毛毯传送、烘缸烘干后,由卷纸设备成卷,得到所需要的石墨烯碳素纤维导电纸。

2.按照权利要求1所述的利用石墨烯碳素纤维导电纸制作燃料电池多孔扩散层电极板的方法,其特征在于,步骤(1)中,改性酚醛树脂为聚酰氨改性酚醛树脂或双氢胺改性酚醛树脂,环氧树脂为E51环氧树脂;烘干隧道温度的设置为进口80~90℃、中间120℃~150℃、出口70~80℃,石墨烯碳素纤维导电纸进行速度为0.1~0.3米/秒。

3.按照权利要求1所述的利用石墨烯碳素纤维导电纸制作燃料电池多孔扩散层电极板的方法,其特征在于,步骤(2)中,在不绣钢板上铺一层耐高温聚乙烯离型膜、在聚乙烯离型膜上铺浸胶后的石墨烯碳素纤维导电纸,在石墨烯碳素纤维导电纸上铺上一层聚乙烯离型膜、在聚乙烯离型膜上铺设不锈钢板、在不锈钢板上铺上8~10层牛皮纸,在牛皮纸上铺设冷轧钢板形成预压品;热压机采用压力达到10MPa的真空热压机,温度选用0~200℃的真空热压机,模板采用单层、双层或三层以上,压制过程如下:(1)第一次升温升压

温度控制在100℃~150℃,压力控制在3~6MPa,压制时间为20~60分钟;

(2)第二次升温升压

温度控制在160~170℃,压力控制在7~10MPa,压制时间为30~60分钟;

(3)压制完成后冷却降温,降至50℃以下时,泄压、出膜、揭膜,将压制好的石墨烯碳素纤维导电纸电极板,整理、裁剪后等待碳化。

4.按照权利要求1所述的利用石墨烯碳素纤维导电纸制作燃料电池多孔扩散层电极板的方法,其特征在于,步骤(2)中,石墨烯碳素纤维导电纸铺设一层或两层以上,当石墨烯碳素纤维导电纸铺设两层以上时,在第一层石墨烯碳素纤维导电纸铺完以后的不锈钢板上铺设聚乙烯离型膜,则继续依次按石墨烯碳素纤维导电纸、聚乙烯离型膜、不锈钢板的顺序重复铺装,最后铺牛皮纸和冷轧钢板,再装入热压机中准备压制;每层石墨烯复合纤维导电纸为一张或两张以上,电极板压制一层或两层以上,当电极板压制两层以上时,重复铺装。

5.按照权利要求1所述的利用石墨烯碳素纤维导电纸制作燃料电池多孔扩散层电极板的方法,其特征在于,步骤(3)中,采用真空感应高温烧结炉在氩气的保护下进行碳化,温度为900~1200℃,时间为10~30分钟;到时间后,将温度提高到1800~2500℃,时间为30~50分钟,碳化烧制成多孔扩散层电极板,达到多孔扩散层电极板的技术指标,孔隙率为75~

95%,电阻率0.01~0.05Ω·cm,气体扩散系数扩散率0.15~0.80平方厘米/秒。

6.按照权利要求1所述的利用石墨烯碳素纤维导电纸制作燃料电池多孔扩散层电极板的方法,其特征在于,石墨烯粉体选用氧化石墨烯,石墨烯粉体为3~6层的少层石墨烯,石墨烯粉体的厚度10nm以下,水平方向宽度10~15nm。

7.按照权利要求1所述的利用石墨烯碳素纤维导电纸制作燃料电池多孔扩散层电极板的方法,其特征在于,短切碳纤维选用聚丙烯晴碳纤维或酚醛纤维碳化制得的短切碳纤维,其技术指标如下:碳含量94~96wt%,电阻率1.0~1.6Ω·cm,长度4~8mm,纤维直径5~10μm,拉伸模量200~300GPa,拉伸强度2000~4000MPa。

8.按照权利要求1所述的利用石墨烯碳素纤维导电纸制作燃料电池多孔扩散层电极板的方法,其特征在于,助留剂占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量的0.5~2%,分散剂占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量的1~2%,挺硬剂占植物纤维混合液、石墨烯粉体混合液和短切碳纤维混合液总重量的

0.5~2%。

9.按照权利要求1所述的利用石墨烯碳素纤维导电纸制作燃料电池多孔扩散层电极板的方法,其特征在于,石墨烯碳素纤维导电纸为80~100克/平方米,其孔隙率为20~40%,导电方阻为3~10欧姆/平方厘米。