燃料電池石墨雙極板

燃料電池石墨雙極板

（Expanded Graphite, abbreviated as EG）也稱為蠕蟲石墨，具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，且有很高的比表面積。目前已經(jīng)形成了大工業(yè)化生產(chǎn)，具有價(jià)格低廉、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)。本論文利用膨脹石墨制備納米石墨片作為雙極板的基體，再添加樹脂以及碳納米管，通過模壓成型的方法最后制得復(fù)合材料雙極板。其中，膨脹石墨是將天然鱗片石墨在強(qiáng)酸的作用下再經(jīng)過高溫膨化制得。隨著納米石墨片與聚酰亞胺樹脂的百分含量的變化，雙極板的密度、導(dǎo)電率、機(jī)械性能等會(huì)有所不同，但是都難以達(dá)到所希望的電導(dǎo)率以及機(jī)械性能。樹脂含量的增加不利于雙極板的電導(dǎo)率，減少又會(huì)降低其彎曲強(qiáng)度。為此筆者考慮加入少量的碳納米管，在保證導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上，同時(shí)提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，便于制備厚度較薄的雙極板，降低其體積與質(zhì)量。 論文選擇用粉體原料、低溫模壓的方式制備納米石墨片/聚酰亞胺復(fù)合材料，并研究其制備工藝對(duì)雙極板性能的影響，并確定最佳制備工藝條件。通過單因素實(shí)驗(yàn)法制備納米石墨片/聚酰亞胺復(fù)合材料，討論工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著膨脹石墨膨脹倍率的增大，復(fù)合材料的導(dǎo)電性能與彎曲強(qiáng)度都在提高，對(duì)其影響較大。復(fù)合材料雙極板的彎曲強(qiáng)度隨著聚酰亞胺的增加而增加，電導(dǎo)率則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在電導(dǎo)率方面，模壓溫度、模壓壓力與保溫時(shí)間對(duì)其影響類似，復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨著模壓溫度、模壓壓力以及保溫時(shí)間的上升呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。彎曲強(qiáng)度則不盡相同，隨著模壓溫度與模壓壓力的增加，彎曲強(qiáng)度也在增加，而保溫時(shí)間增加后，彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。成功制備了碳納米管增強(qiáng)納米石墨片/聚酰亞胺復(fù)合材料雙極板，并研究碳納米管含量對(duì)復(fù)合材料雙極板性能的影響，同時(shí)確定碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料雙極板的最佳制備工藝條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著碳納米管含量的增大，雙極板的密度逐漸減小，彎曲強(qiáng)度與導(dǎo)電率都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)碳納米管含量為2%時(shí)，復(fù)合材料的性能達(dá)到最佳值：彎曲強(qiáng)度為54MPa,,電導(dǎo)率為113s/cm，與增強(qiáng)前的相比分別提高了25%與19%。 借助XRD、SEM、Raman等測(cè)試方法對(duì)原材料和雙極板的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分進(jìn)行了分析，探討了碳納米管的增強(qiáng)機(jī)理，碳納米管和作為粘結(jié)劑的聚酰亞胺結(jié)合處于增強(qiáng)結(jié)合狀態(tài)。研究碳納米管增強(qiáng)納米石墨片/聚酰亞胺復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的預(yù)估理論?？紤]到碳納米管的長(zhǎng)度有效系數(shù)與取向系數(shù)的影響，并且給出所研究材料的彎曲強(qiáng)度預(yù)估公式。

石墨板雖然具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱以及耐腐蝕等性能,但在制造過程中不可避免地產(chǎn)生氣孔,含有氣孔的石墨板作為質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板會(huì)使H2和O2互相滲透,降低電池性能。采用真空加壓方法以硅酸鈉濃溶液浸漬石墨雙極板,然后加酸加熱使之轉(zhuǎn)變?yōu)镾iO2,使石墨板氣孔率由18.2%降低至3.3%以下,在0.3MPaH2壓力下不透氣。經(jīng)硅酸鈉溶液浸漬后的石墨板電阻沒有增加,而用其做的石墨雙極板使電池性能在同樣電流密度下約增加40mV以上。浸漬工藝保證了燃料電池的性能。

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