一种碳纤维复合化电解电极及其制备方法与流程

1.本发明涉及氢能制备领域，尤其涉及一种碳纤维复合化电解电极及 其制备方法。


背景技术：

2.膜电极(membrane electrodeassembly，mea)是质子交换膜燃料电 池(pemfc)最核心的部件，是能量转换的多相物质传输和电化学反应场 所，涉及三相界面反应和复杂的传质h传热过程，直接决定pemfc的性 能、寿命及成本。而膜电极的制备材料是影响到其性能的关键因素。现 有技术中为了提高膜电极的导电率及催化能力，进行了不懈的研究。如 发明人于2018年申请的发明专利，公开号为cn108728863的发明专利《用 于制备碳纤维复合化电解电极的碳纤维复合化电解电极、及电解电极》 中，就公开了一种用于制备碳纤维复合化电解电极的碳纤维复合化电解 电极，其包括：步骤s1：将两条碳纤维条上下叠放，且两条碳纤维条互 相垂直；位于上方的为第一碳纤维条，位于下方的为第二碳纤维条；第 一碳纤维条和第二碳纤维条均为绷直状态，且紧密接触；步骤s2：将第 二碳纤维条往第一碳纤维条所在方向对折；对折后，第二碳纤维条夹住 第一碳纤维条；步骤s3：将第一碳纤维条往第二碳纤维条所在方向对折； 对折后，第一碳纤维条夹住第二碳纤维条；步骤s4：依次重复步骤s2和 步骤s3，直到无法对折，得到电解电极半成品；步骤s5：将半成品进行 热处理和加压处理，得到电解电极。本发明还提供了一种通过上述碳纤 维复合化电解电极制备的碳纤维复合化电解电极。
3.这样结构下的材料具有碳纤维连接形成网状多孔结构，强度更高， 长度更短，更为轻薄；以及排列一致性好，无断裂；导电性好，电阻低 等优点。
4.但是在长期使用过程中，对于新一代的mea，现有技术已经难以满足 需求。我们期望能获取具有更高导电率、高孔隙率以及更强催化能力的 膜电极材料。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种碳纤维复合化电解 电极，和现有的同类产品相比具有高导电率、高孔隙率以及更强的催化 能力。
6.为了实现上述目的，本发明一种碳纤维复合化电解电极，由螺旋状 设置的单根中空碳纤维制成，所述中空碳纤维壁层上布设有裂纹，每段 裂纹完全穿透壁层，且裂纹长度小于所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂 纹之间间距不大于3纳米，所述中空碳纤维的外表面和内壁上均喷涂有 催化剂。
7.优选的，所述中空碳纤维上的裂纹通过纳米陶瓷刀物理切割而成。 这样的裂纹形成方式成本高，但是确保裂纹形状统一，间距均匀。通常 用于实验室使用。
8.优选的，所述中空碳纤维上的裂纹通过脉冲电化学加工冲压形成。 这样的裂纹形成方式成本低且利于大批量生成，缺点在于对于单个裂纹 的形状控制有限，但也足以应用于现有的场景。
9.优选的，所述脉冲电化学加工冲压作业处于至少4个大气压的环境 下进行。高压
下进行脉冲电化学加工冲压工作可以避免形成过大的裂纹， 保证加工后的整条中空碳纤维强度符合预期，不会发生断裂。
10.优选的，所述中空碳纤维的外层和内壁上喷涂的催化剂种类不同。 现有技术中的中空碳纤维无法利用中空碳纤维内壁空间，而本发明利用 内外侧催化剂不同可以提高加工的精细度。
11.本发明还包括一种制备碳纤维复合化电解电极的制备方法，
12.步骤1：获取带有裂纹的中空碳纤维；
13.步骤2：获取直径小于1毫米的金属棒，以该金属棒为轴将带有裂纹 的中空碳纤维盘绕在其上，
14.步骤3：进行高温热压，并在热压过程中根据热压位置，逐渐抽出金 属棒。
15.优选的，中空碳纤维盘绕在金属棒时上下层的中空碳纤维外表面相互接 触。这样可以提高制成后的成品整体强度。
16.优选的，所述高温热压采用的温度为130-135摄氏度。
17.优选的，所述高温热压采用的压力为7公斤每平方厘米。这样的压 力既能保证热压效果，也可以保证金属棒可以顺利取出。
18.优选的，高温热压后的中空碳纤维厚度为原有的1/3。由于螺旋型的 中空碳纤维在压制后实际为两层，因此采用本发明工艺后产品实际厚度 为现有技术的2/3。
19.本方案中，由于中空碳纤维上密布了预设的裂纹，从而实现了高导 电率和高孔隙率的效果。而充分多的裂纹使得中空碳纤维内壁也和外界 充分接触，内壁上设置了催化剂增加了催化时的整体反应面积，从而提 高了催化能力。由于这样的设置，无需高温融化热塑性树脂，因此热压 温度只需130摄氏度左右即可，最终制成的成本厚度也小于现有的产品。
20.与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
21.和现有技术相比，如背景技术中记载的《用于制备碳纤维复合化电 解电极的碳纤维复合化电解电极、及电解电极》中的碳纤维复合化电解 电极成品孔隙率不超过40％，并且只能配置一种催化剂。而本发明在保持 和现有技术一致的高导电率前提下，提升孔隙率至60％，并最多可以配备 两种催化剂，提高了催化的效率。产品重量、体积都有所下降更适用于 小型化设备。
具体实施方式
[0022][0023][0024]
实施例1
[0025]
本实施例提供了一种用于制备碳纤维复合化电解电极的碳纤维复合 化电解电极，其包括：
[0026]
一种制备碳纤维复合化电解电极的制备方法，
[0027]
步骤1：获取带有裂纹的中空碳纤维；其中中空碳纤维为螺旋状设置 的单根中空碳纤维，螺旋设置的上下层的中空碳纤维外表面相互接触。 这样可以提高制成后的成品整体强度。所述中空碳纤维壁层上裂纹通过 纳米陶瓷刀物理切割而成，每段裂纹均完全穿透
壁层，且裂纹长度小于 所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂纹之间间距不大于3纳米，所述中空 碳纤维的外表面和内壁上均喷涂有催化剂。
[0028]
步骤2：获取直径小于1毫米的金属棒，以该金属棒为轴将带有裂纹 的中空碳纤维盘绕在其上，
[0029]
步骤3：以130摄氏度的温度以及7公斤每平方厘米的压力进行高温 热压，并在热压过程中根据热压位置，逐渐抽出金属棒。金属棒抽出速 度和热压机工作速度一致。
[0030]
高温热压后的中空碳纤维厚度为原有的1/3。由于螺旋型的中空碳纤 维在压制后实际为两层，因此采用本发明工艺后产品实际厚度为现有技 术的2/3。
[0031]
这样的电极由于裂纹形成方式成本高，但是确保裂纹形状统一，间 距均匀。通常用于实验室使用。确保孔隙率在60％以上。根据实验目的不 同，中空碳纤维的外表面和内壁上喷涂有不同种类的催化剂。
[0032]
实施例2
[0033]
本实施例提供了一种用于制备碳纤维复合化电解电极的碳纤维复合 化电解电极，其包括：
[0034]
一种制备碳纤维复合化电解电极的制备方法，
[0035]
步骤1：获取带有裂纹的中空碳纤维；其中中空碳纤维为螺旋状设置 的单根中空碳纤维，螺旋设置的上下层的中空碳纤维外表面相互接触。 这样可以提高制成后的成品整体强度。所述中空碳纤维壁层上裂纹通过 脉冲电化学加工冲压形成，且形成过程在5个大气压的作用下，每段裂 纹均完全穿透壁层，且裂纹长度小于所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂 纹之间间距不大于3纳米，所述中空碳纤维的外表面和内壁上均喷涂有 催化剂。
[0036]
步骤2：获取直径小于1毫米的金属棒，以该金属棒为轴将带有裂纹 的中空碳纤维盘绕在其上，
[0037]
步骤3：以130摄氏度的温度以及7公斤每平方厘米的压力进行高温 热压，并在热压过程中根据热压位置，逐渐抽出金属棒。金属棒抽出速 度和热压机工作速度一致。
[0038]
高温热压后的中空碳纤维厚度为原有的1/3。由于螺旋型的中空碳纤 维在压制后实际为两层，因此采用本发明工艺后产品实际厚度为现有技 术的2/3。
[0039]
这样的电极由于裂纹形成方式成本相对较低，但是难以确保裂纹形 状统一，间距均匀。因此这样适合在大规模批量生产中应用。确保孔隙 率在55％以上。
[0040]
实施例3，如实施例2，只是在带有裂纹的中空碳纤维制备过程中， 如果脉冲电化学加工冲压后的裂纹数量和形状达不到预期时，通过纳米 陶瓷刀再进行修整，最终达到每段裂纹完全穿透壁层，且裂纹长度小于 所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂纹之间间距不大于3纳米等要求。这 样的结构能兼顾成本和使用效果，孔隙率接近60％。
[0041]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例 /方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实 施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的 至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表 述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、 结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的 方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本 说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的 特征进行结合和组合。
[0042]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示 或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定 有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。 在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除 非另有明确具体的限定。
[0043]
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明 本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员 而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化 或变型仍处于本公开的范围内。

技术特征：
1.一种碳纤维复合化电解电极，其特征在于，由螺旋状设置的单根中空碳纤维制成，所述中空碳纤维壁层上布设有裂纹，每段裂纹完全穿透壁层，且裂纹长度小于所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂纹之间间距不大于3纳米，所述中空碳纤维的外表面和内壁上均喷涂有催化剂。2.如权利要求1所述的碳纤维复合化电解电极，其特征在于，所述中空碳纤维上的裂纹通过纳米陶瓷刀物理切割而成。3.如权利要求1所述的碳纤维复合化电解电极，其特征在于，所述中空碳纤维上的裂纹通过脉冲电化学加工冲压形成。4.如权利要求3所述的碳纤维复合化电解电极，其特征在于，所述脉冲电化学加工冲压作业处于至少4个大气压的环境下进行。5.如权利要求1-4任一所述的碳纤维复合化电解电极，其特征在于，所述中空碳纤维的外层和内壁上喷涂的催化剂种类不同。6.一种制备如权利要求1所述碳纤维复合化电解电极的制备方法，其特征在于，步骤1：获取带有裂纹的中空碳纤维；步骤2：获取直径小于1毫米的金属棒，以该金属棒为轴将带有裂纹的中空碳纤维盘绕在其上，步骤3：进行高温热压，并在热压过程中根据热压位置，逐渐抽出金属棒。7.一种通过如权利要求6所述的碳纤维复合化电解电极的制备方法，其特征在于：中空碳纤维盘绕在金属棒时上下层的中空碳纤维外表面相互接触。8.一种通过如权利要求6所述中空碳纤维的碳纤维复合化电解电极的制备方法，其特征在于：所述高温热压采用的温度为130-135摄氏度。9.一种通过如权利要求6所述的碳纤维复合化电解电极的制备方法，其特征在于：所述高温热压采用的压力为7公斤每平方厘米。10.一种通过如权利要求6-9其中任一所述的碳纤维复合化电解电极的制备方法，其特征在于：高温热压后的中空碳纤维厚度为原有的1/3。

技术总结
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种碳纤维复合化电解电极，和现有的同类产品相比具有高导电率、高孔隙率以及更强的催化能力。为了实现上述目的，本发明一种碳纤维复合化电解电极，由螺旋状设置的单根中空碳纤维制成，所述中空碳纤维壁层上布设有裂纹，每段裂纹完全穿透壁层，且裂纹长度小于所在中空碳纤维周长的1/4，相邻裂纹之间间距不大于3纳米，所述中空碳纤维的外表面和内壁上均喷涂有催化剂。和现有技术相比，本发明孔隙率高达60％，并配备了两种催化剂。产品重量、体积都有所下降，更适用于小型化设备。更适用于小型化设备。


技术研发人员：钟读麟 李炳钟 宁玉虎 肖雨露
受保护的技术使用者：浙江众氢科技有限公司
技术研发日：2021.07.30
技术公布日：2022/3/8