树脂/石墨PEMFC双极板连续模压工艺及应用性能研究

摘要

随着能源紧张、环境污染严重，节能环保成为人类不懈努力的方向。燃料电池以其效率高、零污染、使用方便等特点成为人们关注和研究的热点。其中质子交换膜燃料电池proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)是目前燃料电池研究的主流。双极板为PEMFC的关键部件之一，其体积、质量、成本分别占PEMFC电池组的80％、70％、60％。因此，双极板材料及加工技术的突破将有利于燃料电池的商业化。作者研究了树脂/石墨复合材料双极板的连续模压成形工艺及应用性能，期望通过优选合适的原材料和连续模压成形工艺来提高双极板的应用性能，提高生产效率，降低生产成本。
　　文中首先对树脂/石墨复合材料配方工艺进行优选。选择了价格低廉、性能优异的酚醛树脂作为粘结剂，以弯曲强度与导电率为优化目标，确定合适的酚醛树脂种类;并相继对酚醛树脂含量、石墨粒径进行了优化。结果表明:酚醛树脂种类为PF5120;酚醛树脂最佳含量为18wt％，最佳石墨粒径分布范围为-100目;此时，复合材料的导电率与弯曲强度分别为142.7S/cm和51MPa。在本课题组前期设计的单片模压成形模具基础上，设计了树脂/石墨复合材料双极板连续成形装置，并以弯曲强度与导电率为优化目标，研究了树脂/石墨复合材料板连续成形工艺，结果表明:酚醛树脂/石墨复合材料板最佳连续模压成形工艺条件为:成形温度为200℃、成形时间为30min、成形压力为30MPa，此时，复合材料的导电率与弯曲强度分别为115.8S/和39.2MPa。
　　在研究连续模压成形工艺的基础上，研究了复杂流道双极板的高效成形性，研究了模具表面光洁度、投料环境温度的选择、脱模方式的选择、脱模温度、及连续模压成形工艺对树脂/石墨双极板成形性的影响，通过对成形板的表面粗糙度，流道的外观质量分析，得出了双极板最佳成形条件。结果表明:投料温度为室温时易于脱模;使用硅油外脱+硬脂酸锌内脱时，成形性良好，双极板表面粗糙度分别为579.53nm和647.37nm;脱模温度低时双极板流道清晰且光滑，选择60℃～80℃为最佳脱模温度。连续模压成形双极板最佳成形条件为模压温度～200℃、成型压力30MPa、双极板单次压制时间10min。
　　内脱模剂硬脂酸锌的加入对双极板的脱模性有很大改善，但是对双极板的应用性能造成一定的影响，因此研究了脱模剂对双极板弯曲强度与导电率的影响、不同热处理温度对双极板弯曲强度与导电率的影响，以及双极板的耐老化性能、耐腐蚀性以及润湿性能。为改善由于脱模剂的加入，双极板的导电率降低的问题，研究了碳纳米管增强的树脂/石墨复合材料双极板。结果表明:当硬脂酸锌含量为2wt％时，复合材料的弯曲强度与导电率均达到最高值，分别为56.3MPa和97.5S/cm;由于连续模压成形的特点，成形后的双极板无需后序热处理;经过30天的耐老化性能研究显示，双极板的耐老化性能较好，弯曲强度降至44.1MPa，仍超过美国DOE标准，导电率基本不变;双极板的表面接触角为88.95°，润湿性良好;耐腐蚀性良好，气密性为2.18×10-10m3·m-2·s-1·Pa-1;使用碳纳米管增强树脂/石墨复合材料双极板，当碳纳米管含量为2wt％时，双极板的弯曲强度与导电率均达到最高值，分别为75.02MPa和118.19S/cm，均超过美国DOE标准。