質(zhì)子交換膜燃料電池復合材料雙極板的研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能的連續(xù)發(fā)電裝置,具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪音低、結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)電效率受負載變化影響小等優(yōu)點,被公認為是21世紀最有發(fā)展前景的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)。雙極板是PEMFC的關(guān)鍵部件之一,其質(zhì)量的好壞直接決定電池堆輸出功率的大小和使用壽命的長短,其成本占電池堆總成本的40%左右,高成本正是PEMFC的商業(yè)化的一大障礙。尋找性能優(yōu)良且成本低廉的雙極板新材料和加工方法已成為燃料電池

2、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究中的重要課題。本論文著眼于PEMFC雙極板的現(xiàn)實需要和未來發(fā)展,在開發(fā)高性能、價廉的燃料電池雙極板材料和工藝方面進行了新的探索和嘗試。
   本文首先采用人造石墨和酚醛樹脂為主要原料制備復合材料雙極板,對人造石墨/酚醛樹脂復合材料的制備工藝進行了初步研究,探討了原料配比、成型工藝和熱處理工藝對復合材料雙極板性能的影響,并建立了復合材料雙極板成型的模壓工藝。研究結(jié)果表明,采用人造石墨作導電原料所制備的雙極板的電學性能

3、與力學性能都較差,與實際應用存在很大的差距。在此基礎(chǔ)上,作者對石墨原料和混料方式進行了篩選,選用天然鱗片石墨為導電原料,采用超聲分散方法制備天然石墨/酚醛樹脂復合材料,詳細研究了復合材料的制備工藝、雙極板的成型工藝和雙極板的熱處理工藝。研究結(jié)果表明,采用天然鱗片石墨制備的雙極板各項性能比用人造石墨制備的雙極板性能提高了很多,電導率和抗折強度都增大了3倍。采用超聲分散技術(shù)可使復合材料各組分混合得更加均勻,極大地提高了復合材料雙極板的綜合性

4、能。復合材料雙極板的抗折強度隨樹脂含量的增大而增大,電導率隨樹脂含量的增大而減小,溶劑和炭黑的加入量、混料時間和固化溫度存在最佳值,成型壓力與保壓時間對復合材料雙極板的性能影響規(guī)律相同,隨成型壓力增大與保壓時間的延長,雙極板的電導率與抗強度都增大,適宜的成型壓力為200MPa,保壓時間為1分鐘。
   針對天然石墨/酚醛樹脂復合材料雙極板存在強度較低的特點,本文提出了利用炭纖維增強和加入偶聯(lián)劑的技術(shù)解決方案,重點研究了炭纖維加入

5、量、不同炭纖維處理方法、偶聯(lián)劑種類、偶聯(lián)劑加入量和偶聯(lián)劑的加入方式等對復合材料導電性能和力學性能的影響。研究結(jié)果表明,復合材料雙極板的電導率隨著炭纖維添加量的增加而不斷降低,強度隨著炭纖維添加量的增加先增大后減小。對炭纖維進行液相氧化處理,在同一溫度下,雙極板的電導率和抗折強度隨著處理時間的延長而增大;在處理時間相同的條件下,雙極板的電導率和抗折強度隨著處理溫度的升高而增大。偶聯(lián)劑的加入能有效地改善雙極板的力學性能,不同種類的偶聯(lián)劑和不

6、同的加入方式時,偶聯(lián)劑的加入量都存在最佳值。
   本論文還在天然石墨/酚醛樹脂復合材料雙極板研究的基礎(chǔ)上,對粘結(jié)劑樹脂進行了改進,采用環(huán)氧改性的酚醛樹脂為粘結(jié)劑,研究了樹脂配比、樹脂含量、石墨粒徑、炭黑添加量、溶劑比、成型壓力、保壓時間以及熱固化溫度等因素對天然石墨/環(huán)氧改性酚醛樹脂復合材料雙極板結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究結(jié)果表明,在酚醛樹脂體系中加入適量環(huán)氧樹脂可顯著改善復合材料雙極板的性能,粘結(jié)劑的最佳用量有所減少,在最優(yōu)的復

7、合材料制備工藝、雙極板的成型工藝和熱處理工藝條件下,所制備的雙極板的體積密度大于1.85g·cm-3,電導率大于120S·cm-1,抗折強度大于40MPa,均能達到美國能源部(DOE)提出的燃料電池雙極板的使用標準。本文還利用膨脹石墨的優(yōu)點,選用其作為導電原料,酚醛樹脂為粘結(jié)劑制備復合材料雙極板,對雙極板的制備工藝進行了優(yōu)化。研究表明,隨膨脹石墨量的增加,雙極板的電導率增加,強度不斷減小,炭黑的加入方式對雙極板性能有很大的影響。

8、   雙極板作為燃料電池的重要組成部分,除了基本性能良好外,還需要滿足其使用性能。為此,本文還對雙極板的使用性能如潤濕性、吸水性、熱穩(wěn)定性、熱膨脹性、腐蝕性、阻氣性和單電池性能進行了研究。結(jié)果表明,所研制復合材料雙極板具有一定的親水性,其接觸角都在81°-86°之間,雙極板的導電性和力學性能受吸水率影響較小。在燃料電池的工作溫度范圍(80-100℃)內(nèi)其熱穩(wěn)定性能非常好。熱膨脹系數(shù)也很小,數(shù)量級都為10-6K-1,這在PEMFC的工作

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