燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的研制

摘要

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是目前最有发展前景的清洁能源，是目前世界上研究热度最高的燃料电池。气体扩散层是质子交换膜燃料电池中的重要组件，起到支撑催化剂层，提供反应气体、生成水的重要传质通道，同时还要起到传输电能的作用。高性能碳纤维纸是目前应用最广泛的气体扩散层基底材料，国外已经实现商业化生产，而我国尚没有实现。碳纤维纸的发展已经成为制约我国自主开发质子交换膜燃料电池的障碍之一，我国急需生产出具有自主知识产权的高性能碳纤维纸，以满足制造燃料电池的需求。 本文针对这一问题，采用国产碳纤维毡片为原料，制备高性能的气体扩散层用碳纤维纸。通过研究确定了制备碳纤维纸的各项工艺条件对碳纤维纸结构与性能的影响，开发了直接浸渍树脂-碳化、预处理后浸渍树脂-碳化、纳米管改性碳纤维纸三种制备工艺路线；详细论述了各个工艺方法的优缺点，确定预处理后浸渍树脂-碳化工艺是制备碳纤维纸的最佳工艺方法，并确定该工艺方法中各项最佳的工艺参数，为连续化生产提供了宝贵的数据。利用分形维数的方法表征了碳纤维纸的微观结构，为碳纤维纸进一步的改进提供依据。具体的研究成果如下： 通过实验研究得出碳纤维纸中短切碳纤维同树脂碳的最佳体积比为1：0.7；模压工艺参数为：模压压力1-3MPa；模压温度140-170℃；固化时间20-30min；确定预处理后浸渍树脂-碳化工艺为制备碳纤维纸的最佳工艺。所得碳纤维纸的性能：厚度0.30mm，密度0.42g/cm<'3>，孔隙率77％，透气率2800 mL·mm/(cm<'2>·hr·mmAq)，拉伸强度18MPa；对碳纳米管进行表面处理，处理液为浓H2804与浓HN04混合液，混合比为3：1。经表面处理后的碳纳米管在酚醛树脂乙醇溶液中分散良好。利用经表面处理后碳纳米管改性的碳纤维纸的性能：厚度0.30mm，密度0.42 g/cm<'3>，孔隙率77％，透气率2400mL·mm/(cm<'2>·hr·mmAq)，拉伸强度13MPa；采用分形维数的方法对碳纤维纸进行表征。自制碳纤维纸和日本Toray公司生产的碳纤维纸的分形维数比较结果表明，自制碳纤维纸的分形维数同Toray生产的碳纤维纸差别不大，孔隙部分的分形维数稍高。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1燃料电池概述

1.2质子交换膜燃料电池

1.2.1质子交换膜燃料电池基本结构

1.2.2质子交换膜

1.2.3电催化剂层

1.2.4气体扩散层

1.2.4碳纳米管在碳纤维纸中的应用

1.2.5碳纤维纸的表征

1.3目的和意义

第二章实验部分

2.1实验材料

2.1.1碳纤维毡片

2.1.2酚醛树脂

2.1.3碳纳米管

2.2实验设备

2.3碳纤维纸的制备工艺

2.3.1直接浸渍工艺

2.3.2预处理后浸渍树脂-碳化工艺

2.3.3碳纳米管改性碳纤维纸

2.3.4不同碳纤维纸制备工艺流程

2.4样品的表征

2.4.1碳纤维毡片含胶量

2.4.2厚度与密度

2.4.3透气率

2.4.4电阻率

2.4.5拉伸强度

2.4.6孔隙率

2.4.7碳纳米管沉降时间

2.5碳纤维纸分形维数

2.5.1二值图像的获取方法

2.5.2盒维数的测定

2.5.3分形维数的测定

第三章结果与讨论

3.1工艺参数对样品性能的影响

3.1.1树脂碳和碳纤维含量对样品性能的影响

3.1.2模压工艺的优化

3.1.3碳化工艺的优化

3.2直接浸渍工艺制备碳纤维纸

3.2.1不同工序下碳纤维纸的微观结构

3.2.2碳纤维纸的主要性能

3.3预处理后浸渍树脂-碳化制备碳纤维纸

3.3.1不同工序下碳纤维纸的微观结构

3.3.2预处理浸渍树脂量的影响

3.3.3碳纤维纸的主要性能

3.4碳纳米改性碳纤维纸

3.4.1碳纳米管表面处理

3.4.2碳纤维纸制备工艺

3.4.3碳纤维纸的主要性能

3.5不同工艺碳纤维纸主要性能的比较

3.5.1密度和孔隙率

3.5.2透气率

3.5.3电阻率

3.5.4拉伸强度

3.5.5不同工艺制备碳纤维纸小结

3.6碳纤维纸分形维数的研究

3.6.1二值图像的获取

3.6.2盒维数的计算

3.6.3分形维数的计算

3.6.4自制碳纤维纸同Toray碳纤维纸分形维数的比较

第四章结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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