燃料电池石墨双极板
燃料电池石墨双极板

燃料电池石墨双极板

(Expanded Graphite, abbreviated as EG)也称为蠕虫石墨,具有疏松多孔的结构,且有很高的比表面积。目前已经形成了大工业化生产,具有价格低廉、产量高等优点。本论文利用膨胀石墨制备纳米石墨片作为双极板的基体,再添加树脂以及碳纳米管,通过模压成型的方法最后制得复合材料双极板。其中,膨胀石墨是将天然鳞片石墨在强酸的作用下再经过高温膨化制得。随着纳米石墨片与聚酰亚胺树脂的百分含量的变化,双极板的密度、导电率、机械性能等会有所不同,但是都难以达到所希望的电导率以及机械性能。树脂含量的增加不利于双极板的电导率,减少又会降低其弯曲强度。为此笔者考虑加入少量的碳纳米管,在保证导电性能的基础上,同时提高复合材料的强度,便于制备厚度较薄的双极板,降低其体积与质量。 论文选择用粉体原料、低温模压的方式制备纳米石墨片/聚酰亚胺复合材料,并研究其制备工艺对双极板性能的影响,并确定最佳制备工艺条件。通过单因素实验法制备纳米石墨片/聚酰亚胺复合材料,讨论工艺参数对复合材料的影响。实验结果表明:随着膨胀石墨膨胀倍率的增大,复合材料的导电性能与弯曲强度都在提高,对其影响较大。复合材料双极板的弯曲强度随着聚酰亚胺的增加而增加,电导率则呈现下降的趋势。在电导率方面,模压温度、模压压力与保温时间对其影响类似,复合材料的电导率随着模压温度、模压压力以及保温时间的上升呈现先上升后下降的趋势。弯曲强度则不尽相同,随着模压温度与模压压力的增加,弯曲强度也在增加,而保温时间增加后,弯曲强度呈现先升高后降低的趋势。成功制备了碳纳米管增强纳米石墨片/聚酰亚胺复合材料双极板,并研究碳纳米管含量对复合材料双极板性能的影响,同时确定碳纳米管增强复合材料双极板的最佳制备工艺条件。实验结果表明:随着碳纳米管含量的增大,双极板的密度逐渐减小,弯曲强度与导电率都呈现先增大后减小的趋势。当碳纳米管含量为2%时,复合材料的性能达到最佳值:弯曲强度为54MPa,,电导率为113s/cm,与增强前的相比分别提高了25%与19%。 借助XRD、SEM、Raman等测试方法对原材料和双极板的微观结构和化学成分进行了分析,探讨了碳纳米管的增强机理,碳纳米管和作为粘结剂的聚酰亚胺结合处于增强结合状态。研究碳纳米管增强纳米石墨片/聚酰亚胺复合材料弯曲强度的预估理论。考虑到碳纳米管的长度有效系数与取向系数的影响,并且给出所研究材料的弯曲强度预估公式。

石墨板虽然具有良好的导电、导热以及耐腐蚀等性能,但在制造过程中不可避免地产生气孔,含有气孔的石墨板作为质子交换膜燃料电池双极板会使H2和O2互相渗透,降低电池性能。采用真空加压方法以硅酸钠浓溶液浸渍石墨双极板,然后加酸加热使之转变为SiO2,使石墨板气孔率由18.2%降低至3.3%以下,在0.3MPaH2压力下不透气。经硅酸钠溶液浸渍后的石墨板电阻没有增加,而用其做的石墨双极板使电池性能在同样电流密度下约增加40mV以上。浸渍工艺保证了燃料电池的性能。

 

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