水泥-導(dǎo)電填料模壓復(fù)合材料雙極板的制備與性能研究.pdf

1、雙極板作為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的關(guān)鍵材料之一，其制作成本和性能直接影響著PEMFC的商業(yè)化和電池性能。人造石墨雙極板性能優(yōu)異被廣泛采用，但由于它的制備工藝較復(fù)雜，特別是只能采用昂貴的機(jī)加工方法加工流場(chǎng)，使其成本很高。其他各種替代雙極板材料的研制一直處于非?；钴S的研究之中，金屬改性雙極板耐腐蝕性能差，成本也比較高；膨脹石墨雙極板穿面電導(dǎo)率低并且力學(xué)性能差：碳復(fù)合材料雙極板制作工藝簡(jiǎn)單，可以一次性復(fù)合模壓成型直接得到帶流場(chǎng)的雙極

2、板，價(jià)格便宜，它最有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械加工石墨(碳)板。另外，由于PEMFC廣泛采用DUPONT公司的NAFION膜，PEMFC在運(yùn)行過(guò)程中的增濕是非常必需的，目前普遍采用的是外增濕，外增濕直接增加了燃料電池電堆的體積，內(nèi)增濕是一個(gè)值得考慮的研究方向，特別是改變雙極板的材料或結(jié)構(gòu)來(lái)賦予其增濕功能，這樣可使電堆體積和重量減少，有利于集成化。 所以本論文另辟奚徑，分別以水泥為粘接劑(如高鋁水泥、水玻璃)制備了幾種新型復(fù)合材料雙極板，他

3、們不同于傳統(tǒng)的復(fù)合材料雙極杉，其特點(diǎn)是材料內(nèi)含有凝膠毛細(xì)孔和親水性，這些特點(diǎn)可賦予該雙極板在質(zhì)子交換膜燃料電池使用過(guò)程中對(duì)質(zhì)子交換膜增濕的功能。對(duì)其基本物理性能包括電導(dǎo)率、彎曲強(qiáng)度、孔隙率、含水量、耐溫性、耐酸腐蝕性、氣密性等性能進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。重點(diǎn)探討了提高這些新型復(fù)合材料雙極板電導(dǎo)率和彎曲強(qiáng)度的方法，包括精心選擇導(dǎo)電填料的粒徑、優(yōu)化制備工藝(模壓時(shí)間、模壓壓力等)和顆粒級(jí)配的方法；并對(duì)他們的耐酸腐蝕性和金屬離子

4、的釋放量進(jìn)行了重點(diǎn)分析。 采用高鋁水泥作為粘結(jié)劑，石墨作為導(dǎo)電填料，通過(guò)室溫模壓的方法制備了導(dǎo)電復(fù)合材料，擬用于制作質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板。對(duì)高鋁水泥/石墨復(fù)合材料雙極板的電性能和力學(xué)性能的影響因數(shù)進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，并測(cè)量了該復(fù)合材料雙極板的含水量、凝膠毛細(xì)孔尺寸分布和氫氣滲透性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：含有60wt％石墨的高鋁水泥/石墨模壓復(fù)合材料雙極板的電導(dǎo)率和力學(xué)強(qiáng)度基本上可以同時(shí)滿足質(zhì)子交換膜燃料電池的使用要求，并且該復(fù)合材料

5、雙極板含有凝膠毛細(xì)孔，約具有7wt％的含水量，具有自增濕功能，此外，氫氣滲透率也較低。 采用液體鈉水玻璃作為粘結(jié)劑，石墨作為導(dǎo)電填料，通過(guò)室溫模壓的方法制備了親水性導(dǎo)電復(fù)合材料，擬用于制作質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板，討論了石墨含量、石墨顆粒粒徑、模壓壓力以及模壓時(shí)間對(duì)導(dǎo)電復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響，并對(duì)不同石墨含量復(fù)合材料的含水量進(jìn)行了分析，得到了最佳的制備工藝條件。結(jié)果表明：含有40wt％石墨的鈉水玻璃/石墨導(dǎo)電復(fù)合材料的電導(dǎo)率能滿

6、足其用于燃料電池雙極板的要求，彎曲強(qiáng)度為15MPa，并且此導(dǎo)電復(fù)合材料具有9％wt的含水量，擁有增濕功能。通過(guò)高溫模壓的方法制備了PVDF/石墨、PVDF/Ti<,3>SiC<,2>、 PVDF/膨脹石墨(EG)、聚偏氟乙烯/水泥/Ti<,3>SiC<,2>和聚偏氟乙烯/水泥/石墨導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以Ti<,3>SiC<,2>作為導(dǎo)電填料時(shí)，復(fù)合材料雙極板的電導(dǎo)率都比較低，可能原因是PVDF與Ti<,3>SiC<,2>

7、的密度相差太大，導(dǎo)致混合不均勻；水泥與Ti<,3>SiC<,2>同屬一類材料，水泥的水化產(chǎn)物幾乎完全包裹了Ti<,3>SiC<,2>。不同的混合方法(溶劑法、干粉法)對(duì)PVDF/石墨、PVDF/膨脹石墨(EG)復(fù)合材料雙極板的穿面電導(dǎo)率有很大的影響。 根據(jù)單一粒徑顆粒堆積、雙級(jí)配顆粒堆積和多元級(jí)配顆粒堆積的基本理論和計(jì)算結(jié)果，得到了通過(guò)顆粒級(jí)配提高導(dǎo)電復(fù)合材料電導(dǎo)率的方法，并分別測(cè)量了含單一粒徑導(dǎo)電填料復(fù)合材料雙極板和含多種不同

8、粒徑導(dǎo)電填料復(fù)合材料雙極板的電導(dǎo)率，結(jié)果表明：對(duì)于均勻單一顆粒粒徑的導(dǎo)電填料，導(dǎo)電復(fù)臺(tái)材料雙極板的電導(dǎo)率隨導(dǎo)電填料粒徑的增大而增加，大小兩種粒徑之間合理的顆粒級(jí)配還能進(jìn)一步提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板的電導(dǎo)率，但必須考慮小顆粒的粒徑與大顆粒粒徑之間的關(guān)系以及質(zhì)量配比。 在lM H<,2>SO<,4>的腐蝕溶液中和室溫條件下，借助電化學(xué)工作站采用伏安線性掃描技術(shù)對(duì)新型復(fù)合材料雙極板(重點(diǎn)是高鋁水泥/石墨、水玻璃/石墨)的耐酸腐蝕性能進(jìn)行

9、了測(cè)試。并采用全譜直讀電感偶合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)測(cè)量了腐蝕溶液中金屬離子的含量。結(jié)果表明：從極化曲線來(lái)看，新型復(fù)合材料雙極板的腐蝕電流密度大約為10<'-4.5>A/cm<'2>，說(shuō)明這些新型復(fù)合材料雙極板有一定的抗酸腐蝕性。腐蝕1小時(shí)后，在腐蝕溶液中檢測(cè)到了Al，Ca，Na.等金屬離子，在30℃腐蝕條件下，從這些新型復(fù)合材料雙極板中釋放出來(lái)的Al，Ca，Na等金屬離子的含量?jī)H占整個(gè)雙極板中金屬離子的5％，但是溫度上升