用于PEMFC的石墨/聚合物复合材料双极板研究

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其能量转化率高、低排放、能量和功率密度高等优点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一.双极板是PEMFC的重要组成部分,它为电池分配燃料与氧化剂并串联相邻电池,其成本可占总成本的约40﹪,而高成本正是其走向实用化的一大障碍.寻找性能优良且成本低廉的双极板新材料和加工方法已成为燃料电池产业化技术研究中的重要课题.本论文着眼于PEMFC双极板的现实需要和未来发展,在开发高性能、价廉的燃料电池双极板材料和工艺方面进行了新的探索和尝试. 本该建立了石墨/聚合物复合双极板成型的模压工艺.同采用较多的注塑成型工艺相比,新工艺的设备费用更低,而且可以采用注塑工艺所不允许的高石磨含量,从而使双极板的材料费用更低而导电率更高. 以天然鳞片石墨为板主体,选取价格低廉的酚醛树脂或聚丙烯为粘结剂,制备了石墨/聚合物复合板.对模压工艺条件、树脂含量以及树脂熔体流动性能等因素对复合板导电性能、阻气性能、机械性能和耐腐蚀性能等的影响进行了系统考察.结果表明,在适当的工艺条件下,聚丙烯树脂质量含量为20﹪及酚醛树脂质量含量为10﹪的石墨/聚合物复合板各项指标均能达到公认的PEMFC双极板性能要求. 为满足PEMFC向高温发展的需要,我们还首次提出以天然鳞片石墨/有机硅树脂新复合材料体系制备PEMFC双极板,并建立了相应模压成型工艺.TGA结果表明,新材料复合板具有优良的耐高温性能,较已知石墨/聚合物复合双极板的可用温度大幅度提高.硅树脂质量含量为10﹪时,复合板各项性能均能达到对PEMFC双极板性能的要求. 接触电阻是影响PEMFC性能的重要因素,但研究报道很少.我们开展了接触电阻的系统研究,并发现复合板和碳纸间的接触电阻受复合板中树脂含量和碳纸疏水化度的影响很大.而且模压成型复合板的聚合物表面富集效应使得接触电阻对复合板中聚合物含量非常敏感,模压工艺条件的影响则较小. 首次提出石墨/聚合物梯度复合双极板的新思路,并基于模压成型工艺应用逐层添加法制备了梯度复合板.测试表明梯度复合板在本体电阻稍微增加的情况下,可以大幅度降低接触电阻,而且其还可以保持与高聚合物含量非梯度板相近的阻气性能和机械性能.梯度复合板综合性能较非梯度复合板有显著提高.

目录

文摘

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前言

第一章文献综述

1.1燃料电池简介

1.2聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)

1.2.1 PEMFC概述

1.2.2 PEMFC组件

1.2.3 PEMFC的水、热管理

1.3双极板研究综述

1.3.1双极板的功能与要求

1.3.2双极板的流场形式

1.3.3双极板的材质选择

1.4本论文工作的研究内容

第二章复合板性能测试装置与方法及表征

2.1电导率的测量

2.1.1电导率测量方法的选择

2.1.2垂直向电导率的测量

2.1.3水平向电导率的测量

2.2接触电阻的测量

2.3阻气性能的测定

2.4机械性能的测量

2.4.1抗压强度的测量

2.4.2抗弯强度的测量

2.5密度的测量

2.6孔隙率的测量

2.7导热系数的测量

2.8微观形态的表征

2.8.1扫描电子显微镜(SEM)分析

2.8.2 X-射线能量散射谱仪(EDAX)分析

2.8.3偏光显微镜分析

2.9热稳定性分析

2.10红外光谱测试

2.11 X-射线衍射(XRD)分析

2.12热膨胀性能分析

2.13腐蚀性能分析

第三章石墨/酚醛树脂(PF)复合板

3.1石墨的种类和性质

3.2酚醛树脂

3.3热固性树脂材料模压成型原理

3.3实验原料

3.3.1石墨

3.3.2 PF树脂

3.4石墨/PF复合板的制备

3.4.1实验设备

3.4.2石墨/PF复合板的加工工艺

3.5两类不同石墨复合板性能

3.5.1不同粒度鳞片石墨复合板导电性能

3.5.2不同粒度石墨复合板阻气性能

3.5.3球形石墨复合板导电性能

3.5.4球形石墨复合板阻气性能

3.6模压工艺对复合板性能的影响

3.6.1模压压力对复合板性能的影响

3.6.2模压时间对复合板性能的影响

3.6.3模压温度对复合板性能的影响

3.6.4降温压力对复合板性能的影响

3.7 PF含量对复合板性能的影响

3.8复合板热膨胀性能

3.9复合板导电性能与温度的关系

3.10复合板的其它性质

3.11采用石墨/PF复合材料双极板的PEMFC性能

3.12本章小结

第四章石墨/聚丙烯树脂(PP)复合板

4.1实验原料

4.2石墨/PP复合板的制备

4.2.1实验设备

4.2.2热塑性树脂复合材料模压成型原理

4.2.3石墨/PP复合板的加工工艺

4.3不同粒度鳞片石墨复合板

4.4模压工艺对复合板性能的影响

4.4.1模压压力对复合板性能的影响

4.4.2模压时间对复合板性能的影响

4.4.3模压温度对复合板性能的影响

4.4.4降温压力对复合板性能的影响

4.5 PP含量对复合板性能的影响

4.6 PP熔体流动性能对复合板性能的影响

4.7复合板热膨胀性能

4.8复合板导电性能与温度的关系

4.9复合板的其它性质

4.10本章小结

第五章石墨/有机硅树脂复合板

5.1实验原料

5.2石墨/有机硅树脂复合板的制备

5.2.1实验设备

5.2.2石墨/有机硅树脂复合板的加工工艺

5.3甲基硅树脂固化性能分析研究

5.4甲基硅树脂耐热性能研究

5.5模压工艺对复合板性能的影响

5.6甲基硅树脂含量对复合板性能的影响

5.7复合板导电性能与温度的关系

5.8复合板的其它性质

5.9本章小结

第六章石墨/聚合物复合板接触电阻的研究

6.1基本理论

6.2扩散层材料

6.3接触压力对接触电阻的影响

6.4树脂含量对接触电阻的影响

6.5 PP不同熔体流变行为对接触电阻的影响

6.6模压工艺对接触电阻的影响

6.6.1模压压力对接触电阻的影响

6.6.2模压时间对接触电阻的影响

6.6.3模压温度对接触电阻的影响

6.7碳纸疏水化对接触电阻的影响

6.9本章小结

第七章梯度复合板

7.1石墨/聚合物梯度复合板概念的提出

7.2石墨/PP梯度复合板

7.2.1石墨/PP梯度复合板的制备

7.2.2石墨/PP梯度复合板内部结构观察

7.2.3石墨/PP梯度复合板导电性能

7.2.4石墨/PP梯度复合板阻气性能

7.2.5石墨/PP梯度复合板机械性能

7.3不同梯度组成的石墨/PP梯度复合板

7.3.1三种石墨/PP梯度复合板导电性能的比较

7.3.2三种石墨/PP梯度复合板阻气性能的比较

7.3.3三种石墨/PP梯度复合板机械性能

7.4石墨/PF梯度复合板

7.4.1石墨/PF梯度复合板的制备

7.4.2石墨/PF梯度复合板的导电性能

7.4.3石墨/PF梯度复合板的阻气性能

7.4.4石墨/PF树脂梯度复合板的机械性能

7.5本章小结

第八章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢