论文摘要
双极板是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的关键部件之一，其制作成本和性能直接影响着PEMFC的商业化和性能。无孔石墨双极板因性能优异而被广泛采用，但由于复杂的制备及后续机加工工艺，生产石墨双极板的成本很高，其他各种替代双极板材料的研制一直非常活跃。聚合物／填料复合材料双极板因其制作工艺简单，可以一次性复合模压成型直接得到带流场的双极板，易于实现大规模生产，而成为目前PEMFC双极板发展的主流和最具前景的发展方向。目前，有关聚合物／填料复合材料双极板的研制大都集中在树脂基碳复合材料上，这类双极板具有优异的耐腐蚀性能，但仍然存在电导率和机械强度较低的缺点。寻求石墨等碳质类导电填料的替代材料，与聚合物树脂复合制备性能优良的低成本PEMFC双极板，便成为PEMFC双极板开发研究中的一项重要课题。另外，燃料电池的增湿普遍采用的是外增湿，外增湿直接增加了燃料电池电堆的体积，内增湿是目前主要的研究方向，特别是改变双极板的结构或材料来赋予其增湿功能。为此，本论文在借鉴实验室近年来研制碳化硅钛（Ti3SiC2）的工作基础上，为进一步扩大Ti3SiC2的应用范围，采用Ti3SiC2作导电填料，与聚偏氟乙烯树脂（PVDF）复合模压制备导电复合材料，研究该复合材料的导电性、导热性、机械强度和热稳定性等，以期制备出满足PEMFC运行要求的双极板。另外，论文采用高铝水泥为粘结剂，Ti3SiC2与石墨混合作导电填料，通过模压工艺制备出一种新型复合材料双极板，在优化该复合材料性能、开发其内增湿功能方面进行了初步的探索。首先，采用PVDF作胶粘剂，分别与石墨、TiC和Ti3SiC2复合模压制备PVDF基导电复合材料。以渗流理论描述复合材料的导电性能，通过考察导电填料种类及Ti3SiC2颗粒粒径对复合材料渗流阂值高低、渗流转变区域宽度的影响，结合对复合材料微观结构的分析，确立了PVDF基导电复合材料的导电机理，为制备PVDF／填料复合材料双极板奠定理论基础。采用石墨、TiC及Ti3SiC2作导电填料，分别与PVDF复合于相同的工艺制度下模压制备PVDF／填料复合材料，考察了导电填料种类对PVDF／填料复合材料物理性能的影响。实验结果表明导电填料含量为80Wt％时，PVDF／Ti3SiC2复合材料导电性能优于PVDF／TiC及PVDF／石墨复合材料，其力学、导热及热膨胀性能介于两者之间。由此，我们认定Ti3SiC2可以取代石墨及TiC作导电填料与PVDF复合制备性能优良的燃料电池双极板。以Ti3SiC2作导电填料，PVDF树脂为粘结剂，制备了PVDF／Ti3SiC2复合材料双极板。对Ti3SiC2含量、Ti3SiC2颗粒粒径、Ti3SiC2颗粒级配以及模压工艺条件对复合板导电性能、导热性能、机械性能和体积密度等的影响进行了系统考察。实验结果表明，在Ti3SiC2质量含量为80％、粗细Ti3SiC2颗粒质量比值为4：1及适当的工艺条件下，所制的PVDF／Ti3SiC2复合材料双极板的导电及力学性能指标均超过公认的PEMFC双极板性能要求，其导热及耐腐蚀性能还有待提高。为进一步优化PVDF／Ti3SiC2复合材料双极板的性能，同时降低PVDF／Ti3SiC2复合材料双极板的制作成本，分别考察了第二相导电填料石墨及TiC的掺入对PVDF／Ti3SiC2复合材料性能的影响。实验结果表明随着TiC含量增加，复合材料的导电及导热性能出现先升高后降低的趋势，而力学性能则出现单调上升的趋势。随着石墨含量增加，复合材料的导电性能先降低后升高，导热性能得以较大程度地提高，而力学性能线性降低。采用高铝水泥作为粘结剂，Ti3SiC2与石墨混合作导电填料，通过室温模压的方法制备了高铝水泥／填料导电复合材料。对其基本物理性能包括体积电导率、抗弯强度、体积密度、吸水率及耐酸腐蚀性能进行了测量，并对其物相组成及微观结构进行了表征。实验结果表明：在Ti3SiC2质量含量为40％、高铝水泥质量含量为20％及适当的工艺条件下，高铝水泥／填料复合材料双极板的体积电导率、抗弯强度及耐腐蚀性能基本上可以满足质子交换膜燃料电池的使用要求，并且具有约4wt％的含水量，有一定的自增湿功能。
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