Ti3SiC2基燃料电池双极板复合材料的制备与性能研究

摘要

燃料电池因具有能量转换效率高、低排放、模块结构简单及维护检修方便等优点引起了各国政府和学者的重视。双极板是燃料电池的重要组成部件之一，由于其电导率、成型、机械加工性能以及使用寿命等方面有待改善，生产成本有待降低，所以研发双极板新材料成为目前燃料电池产业化技术中的重要课题。本研究通过热压烧结单体粉末制备Ti3SiC2基复合材料，研究烧结工艺和附加添C量对其合成和性能的影响，并加入助烧剂进一步提高双极板复合材料的性能。期望获得可用于燃料电池双极板的复合材料，拓宽其选材范围，提高性价比。
　　 根据美国能源部(DOE)对燃料电池双极板的性能要求，对烧结温度和附加添C量进行优选，分析影响Ti3SiC2基复合材料力学性能和电学性能的因素。结果表明:在制备工艺范围内获得的复合材料的性能都能够满足双极板的使用要求，最优制备参数为烧结温度1400℃，附加添C量5wt％，此时复合材料的弯曲强度为447.80MPa，电导率为28155.68s·cm-1，腐蚀液处理后弯曲强度和电导率下降8.43％和5.56％，热震温差为900℃时，剩余弯曲强度为155.71MPa，在40℃～900℃间其平均线膨胀系数为12.22×10-6K-1，900℃时的电导率为5287.9s·cm-1。
　　 为提高Zi3SiC2基复合材料的性能，提出加入Al作为烧结助剂的方案，研究烧结温度，保温时间，附加添C量对复合材料的影响。结果表明，随着烧结温度的提高和附加添C量的降低，材料的弯曲强度和电导率增加，而其随保温时间表现出先增加后减小的变化趋势，60分钟时材料的性能最佳。复合材料的整体性能显著提高，完全可以用于燃料电池双极板。对比性能最优的不加助烧剂制备的复合材料，优选的Al助烧复合材料的弯曲强度提高了107MPa，电导率提高了10812.26s·cm-1，腐蚀液处理后弯曲强度和电导率的降幅分别减小了1.1％和0.41％，热震温差为900℃时的剩余弯曲强度高出18.04MPa，在40℃～900℃间材料的平均热膨胀系数减小了0.23K-1，900℃时电导率提高了6563.82s·cm-1。
　　 对复合材料导电网络组成的研究表明，随着Ti3SiC2体积分数的降低，复合材料电导率预估公式计算的电导率下降。Ti3SiC2体积分数较大时，复合材料电导率预估公式计算的电导率的误差都较小。当Ti3SiC2的体积分数为73.38时，复合材料的未修正的计算值与实际值相差较大。随着Ti3SiC2体积分数的大幅度减少，未修正的计算值误差稍有变小而修正后的误差明显变大。对电子在复合材料导电通道中运动的研究表明，复合材料中的Ti3SiC2结晶度越高，致密度越高，且其它相较少时，越有利于电子在导电通道中的运动，因而材料的电导率较高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 燃料电池概述

1．2 双极板的功能及其性能要求

1．3 双极板材料的研究现状

1．3．1 SOFC双极板材料的研究现状

1．3．2 PEMFC双极板材料的研究现状

1．4 Ti3SiC2及其复合材料的研究

1．4．1 Ti3SiC2的结构与性能

1．4．2 Ti3SiC2基复合材料的研究进展

1．5 课题的提出

1．6 研究内容

第二章 试验过程与方法

2．1 试验材料

2．2 试验仪器设备

2．3 Ti3SiC2基复合陶瓷材料的制备

2．4 复合材料性能测试

2．4．1 弯曲强度的测定

2．4．2 电导率的测定

2．4．3 相对密度的测定

2．4．4 耐腐蚀性能的测定

2．4．5 热膨胀系数的测定

2．4．6 热震剩余弯曲强度的测定

2．5 分析测试技术

2．5．1 差热分析

2．5．2 X射线衍射

2．5．3 扫描电镜

2．5．4 透射电镜

第三章 Ti3SiC2基双极板复合材料的研究

3．1 反应物粉末的DSC测试

3．2 烧结温度对复合材料的影响

3．2．1 复合材料的合成分析

3．2．2 烧结温度对复合材料弯曲强度的影响

3．2．3 烧结温度对复合材料电导率的影响

3．3 附加添C量对复合材料的影响

3．3．1 复合材料的相组成与相含量分析

3．3．2 附加添C量对复合材料弯曲强度的影响

3．3．3 附加添C量对复合材料电导率的影响

3．4 复合材料在模拟PEMFC环境中的腐蚀性能研究

3．5 复合材料的高温性能

3．5．1 复合材料热震剩余弯曲强度的分析

3．5．2 复合材科的热膨胀系数分析

3．5．3 复合材料的高温电导率分析

3．6 本章小结

第四章 Al助烧Ti3SiC2基双极板复合材料的研究

4．1 烧结工艺对复合材料的影响

4．1．1 烧结温度对复合材料的影响

4．1．2 保温时间对复合材料的影响

4．2 附加添C量对双极板复合材料的影响

4．2．1 复合材料的相组成与相含量分析

4．2．2 复合材料的微观结构分析

4．2．3 附加添C量对复合材料相对密度的影响

4．2．4 附加添C量对复合材料弯曲强度的影响

4．2．5 附加添C量对复合材料电导率的影响

4．3 复合材料在模拟PEMFC环境中的腐蚀性能研究

4．4 复合材料的高温性能

4．4．1 复合材料的热震剩余弯曲强度分析

4．4．2 复合材料的热膨胀系数分析

4．4．3 复合材料的高温电导率分析

4．5 本章小结

第五章 Ti3SiC2基复合材料导电机理浅析

5．1 复合材料主晶相的电子结构及导电机理

5．2 复合材料主晶相的结合方式分析

5．3 复合材料导电机理的探讨

5．3．1 复合材料的导电网络

5．3．2 复合材料的电子迁移方式

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士期间发表的论文

学位论文评阅及答辩情况表