燃料电池气体扩散电极用碳纳米管/碳纤维复合碳纸的制备

论文摘要

气体扩散层在质子交换膜燃料电池的电极中,起到支撑催化层、传导电子、提供气体通道和排出水等多重作用,是影响电池电极性能的关键部件之一。碳纸是气体扩散层的主要组成材料,目前碳纸的生产主要由国外公司垄断,国内研究仍处于实验室阶段。本文以PAN基碳纤维为主要原料,碳纳米管为辅助原料,采用湿法造纸技术制备了用于燃料电池气体扩散电极的碳纸,主要研究了碳纸的原料与助剂,打浆及抄纸工艺,热压,碳化及石墨化,憎水工艺对其结构和性能的影响,并用压汞仪,高阻仪,视频接触角测量仪,SEM及XRD对其进行了表征,并且优化了碳纸的成型工艺。实验结果表明;（1）用PAN基碳纤维,切断成长度分布为3.5mm;碳纳米管在复合物（碳纤维和碳纳米管）中的含量为8%;用3mol/l的NaOH溶液活化碳纤维样品;分散剂为聚氧化乙烯（PEO）,在浆液中含量为0.01%,配成造纸的原料与助剂。（2）用原料与助剂再进行造纸,其中,打浆时间为10min,抄纸时间为10min。（3）然后将碳纸进行热压和碳化石墨化,其中,热压工艺;温度为145℃,压力为4MPa,热压时间为15min,石墨化温度为2200℃。（4）最后将碳纸用聚四氟乙烯（PTFE）乳液浸渍后再进行热处理,其中,热处理温度为340℃,恒温时间为30min。所制的碳纸具体指标;厚度为0.3mm,密度为0.40-0.50g/cm3,孔隙率为75.90%,平均孔径为20-30μm,电阻率为8-15mΩ·cm,接触角为120-130°,基本可以满足燃料电池气体扩散电极使用的需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池的概述
• 1.1.1 燃料电池的历史
• 1.1.2 燃料电池的工作原理
• 1.1.3 燃料电池的优点与应用
• 1.2 气体扩散层组成的基本材料
• 1.2.1 碳纸
• 1.2.2 碳布
• 1.2.3 非织造布
• 1.2.4 碳黑纸
• 1.3 碳纸的国内外研究情况
• 1.3.1 碳纸的国外研究情况
• 1.3.2 碳纸的国内研究情况
• 1.3.3 碳纸制备的工艺流程
• 1.3.4 碳纸制备的主要原料与助剂
• 1.4 本课题的研究意义及主要内容
• 第二章 原料选择及助剂优化
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验药品与仪器
• 2.2.2 实验步骤
• 2.2.3 性能测试与表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 碳纤维对碳纸性能的影响
• 2.3.2 活化剂对碳纤维润湿性能的影响
• 2.3.3 分散剂对碳纸性能的影响
• 2.3.4 碳纳米管对碳纸结构和性能的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 打浆及抄纸工艺
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验药品与仪器
• 3.2.2 实验步骤
• 3.2.3 性能测试与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同打浆时间对碳纸孔隙率及平均孔径的影响
• 3.3.2 不同打浆时间对碳纸电阻率的影响
• 3.3.3 不同打浆时间对碳纸接触角的影响
• 3.3.4 不同抄纸时间对碳纸密度的影响
• 3.3.5 不同抄纸时间对碳纸孔隙率及平均孔径的影响
• 3.3.6 不同抄纸时间对碳纸电阻率的影响
• 3.3.7 不同抄纸时间对碳纸接触角的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 热压工艺及碳化石墨化工艺
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验药品与仪器
• 4.2.2 实验步骤
• 4.2.3 性能测试与表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 酚醛树脂的DSC与TG分析
• 4.3.2 不同热压条件下碳纸的厚度与密度
• 4.3.3 不同热压条件下碳纸的孔隙率及平均孔径
• 4.3.4 不同热压条件下碳纸的电阻率
• 4.3.5 不同热压条件下碳纸的SEM图
• 4.3.6 不同碳化及石墨化温度下碳纸的厚度与密度
• 4.3.7 不同碳化及石墨化温度下碳纸的孔隙率及平均孔径
• 4.3.8 不同碳化及石墨化温度下碳纸的XRD
• 4.4 本章小结
• 第五章 憎水处理
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验药品与仪器
• 5.2.2 实验步骤
• 5.2.3 性能测试与表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 PTFE的TG分析
• 5.3.2 热处理时间对碳纸中PTFE含量的影响
• 5.3.3 碳纸中的PTFE含量及密度
• 5.3.4 不同PTFE含量碳纸的孔隙率及平均孔径
• 5.3.5 不同PTFE含量碳纸的电阻率
• 5.3.6 不同PTFE含量碳纸的接触角
• 5.3.7 不同PTFE含量碳纸的SEM图
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表文章与申请专利
• 致谢