燃料电池扩散层用碳布的制备工艺研究

摘要

燃料电池以高效、清洁的供电方式备受关注，更以稳定的供电能力逐步成为重要的供能方式。燃料电池扩散层是影响电池性能的关键部件，其主要作用有:支撑催化剂和膜结构;均匀分布气体;支撑整体结构。同时，扩散层又是气体、电子和产物水的通道。目前，燃料电池扩散层所使用的碳纸脆性较大，缺乏柔性，在安装和使用过程中容易受损，不易安装而且降低了燃料电池的使用寿命。非织造布虽具有一定的柔性，但其制备工艺复杂，开孔孔隙率较大，需填充其他材料才能达到使用要求，导致了成本的增加。而现有的碳纤维布以机织物为主。这种机织物结构疏松、厚度不均匀，并且在平面方向上易伸缩而缺乏尺寸稳定性，从而不易安装难以制成电极。
　　 对此，本文提出使用具有柔性的纺织布来制作用于气体扩散层的碳布。以六种常见的有机纤维布为原料，研究了炭化/石墨化工艺对碳纤维布性能与结构的影响，采用热重分析仪、厚度仪、微欧计、扫描电子显微镜对原料布及所得碳布的性能与结构进行了表征。结果表明，人造棉和棉布经过炭化、石墨化后厚度适中，具有较低的电阻率，适于制备燃料电池所用的柔性扩散层材料;真丝具有较低电阻率的同时厚度较低，有望成为超薄扩散层的原料。
　　 为提高制品的收率，以磷酸氢二铵为浸渍剂对人造棉进行处理，探讨了浸渍剂处理对炭化收率的影响，并从碳布的厚度、密度，导电能力、拉伸强度、渗透率以及微观结构等方面进行研究。结果表明，磷酸氢二铵的存在改善了有机纤维布的热行为，提高样品炭化收率的同时使其电阻率降低，经过(NH4)2HPO4的浸渍，碳布的炭化收率从11.3％提高到31.3％;电阻率有明显下降，石墨化后碳布的电阻率降为0.068Ω·cm;断裂伸长率为14.7％。同时具有良好的透气性能和一定的强度，可用于燃料电池气体扩散层材料。
　　 为了进一步提高样品的性能，以磷酸氢二铵改性人造棉为基体材料，酚醛树脂为改性剂，经喷涂、炭化工艺制备燃料电池扩散层材料用碳布。研究了酚醛树脂含量对碳布强度、电阻率、厚度和密度的影响，并通过XRD谱图和SEM图片对碳布进行微观结构分析，探讨了酚醛树脂对碳布强度和电阻率的影响机理。结果表明，酚醛树脂在提高碳布强度的同时使其电阻率降低。当树脂碳含量为35％时，碳布强度提高40％，体电阻率降低至0.05Ω·cm。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 燃料电池的起源与发展

1．2 燃料电池的分类

1．2．1 燃料电池的基本结构及原理

1．2．2 燃料电池的应用及存在的问题

1．2．3 燃料电池技术存在的问题

1．3 扩散层的主要作用及使用要求

1．4 扩散层材料的种类及制备方法

1．4．1 碳纤维纸的制备工艺

1．4．2 碳纤维编织布

1．4．3 无纺布

1．4．4 碳黑纸

1．5 扩散层材料的其他用途

1．6 研究目的和意义

第二章 实验部分

2．1 实验试剂及原料

2．2 实验仪器和设备

2．3 实验方案

2．3．1 原料的预处理

2．3．2 原料的浸渍处理

2．3．3 碳布的改性

2．3．4 碳布的高温热处理

2．4 性能测试

2．4．1 碳布的收率

2．4．2 碳布的体积密度

2．4．3 碳布的晶体结构

2．4．4 碳布的电阻率

2．4．5 碳布的强度

2．4．6 碳布的渗透系数

2．4．7 碳布的表观形貌

2．4．8 酚醛树脂的热行为

2．4．9 酚醛树脂的固含量

第三章 有机纤维布热处理特性研究

3．1 原料布的选择

3．1．1 真丝类原料

3．1．2 缎条和白绸的性能

3．1．3 棉质面料

3．2 高温热处理后碳布的主要性能

3．2．1 不同热处理温度下的电性能

3．2．2 石墨化后样品的收率

3．2．3 石墨化样品的强度和断裂伸长率

3．3 碳布的表观形貌

3．3．1 棉质碳布炭化后的表观形貌

3．3．2 石墨化后棉质碳布的表观形貌

3．4 本章小结

第四章 碳布的浸渍处理对其性能与结构的影响

4．1 磷酸氢二铵溶液质量分数的确定

4．2 磷酸氢二铵浸渍对人造棉热处理历程的影响

4．3 磷酸氢二铵浸渍对碳布组成的影响

4．4 浸渍处理工艺对样品厚度和密度的影响

4．5 碳布的微观结构

4．6 浸渍工艺对碳布电阻率和力学性能的影响

4．7 碳布的渗透率

4．8 扩散层材料主要性能的比较

4．9 本章小结

第五章 碳布的增强研究

5．1 酚醛树脂的固含量分析

5．2 酚醛树脂的热失重分析

5．3 酚醛树脂的加入量对碳布性能的影响

5．4 样品的晶体结构

5．5 样品的表面形貌

5．6 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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