磨碎碳纤维增强聚苯硫醚/石墨双极板材料的制备及性能研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一。双极板是PEMFC的重要组成部分,其成本约占总成本的60%,而高成本正是制约其产业化的一大障碍。寻找性能优良且成本低廉的双极板新材料和加工方法已成为燃料电池产业化技术研究中的重要课题。本文中针对现有双极板成本高的问题,在开发性能好、价格低廉的燃料电池双极板材料和工艺方面进行了一些新的探索和尝试。根据美国能源部(DOE)对碳质填料/聚合物复合双极板材料的性能要求,以弯曲强度及电导率作为重点考虑的性能指标,对聚苯硫醚(PPS)树脂含量以及成型温度、保温时间等模压工艺参数进行了优选,分析了复合材料力学性能与导电性能的影响因素与影响机理。研究得到:(1)制备PPS/G双极板材料,应选择升温保温后加压,冷却方式应选择空冷,这样可以明显改善PPS/G双极板材料弯曲强度较低的缺点,显著提高双极板材料的综合性能;(2)在PPS/G双极板材料的制备中,石墨材料的不同会影响复合材料具体模压工艺的确定,因此需要对使用的石墨原材料加以确定;(3)通过选用两种不同的石墨原料以及模压工艺参数的优化,制备得到的PPS/G双极板材料的性能达到DOE标准,而且明显好于国内外已有的关于PPS/G双极板材料的研究结果。为进一步提高PPS/G双极板材料的性能,提出了利用磨碎碳纤维来增强的方案。研究了磨碎碳纤维的表面处理方法及纤维含量对复合双极板材料性能的影响。研究得到:(1)空气氧化处理的碳纤维增强PPS/G复合材料,当纤维含量为5%时,复合材料的弯曲强度和电导率最佳,其中复合材料的弯曲强度由52.1MPa提高到57.3MPa,而复合材料的电导率略有降低,由原来的133.9S/cm降低到111.9S/cm;(2)虽然用一定含量液相及气相氧化处理的碳纤维增强PPS/G复合材料能大幅度提高复合材料的弯曲强度,但同时也使复合材料的电学性能恶化,因此不宜采用这种氧化处理方式来处理碳纤维。另外详细研究了PPS/G双极板材料在模拟燃料电池环境中的腐蚀现象,并给出了复合材料性能下降的机理分析。研究表明:在长期的模拟燃料电池环境中,所制备的双极板复合材料具有良好的耐腐蚀性能,电导率和弯曲强度下降幅度均小于同类树脂/石墨双极板材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 质子交换膜燃料电池概述
• 1.2 PEMFC双极板及其性能要求
• 1.3 双极板材料及其发展现状
• 1.3.1 石墨双极板材料
• 1.3.2 金属双极板材料
• 1.3.3 聚合物-碳复合双极板材料
• 1.3.3.1 热固性树脂体系双极板复合材料
• 1.3.3.2 热塑性树脂体系双极板复合材料
• 1.4 碳纤维表面处理的研究进展
• 1.4.1 气相氧化
• 1.4.2 液相氧化
• 1.4.3 气液双效法
• 1.4.4 电化学氧化
• 1.5 本课题的提出
• 1.6 研究目的和意义
• 1.7 本课题的主要研究内容
• 1.8 本课题的研究技术路线
• 第二章 实验过程与方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 试验仪器和设备
• 2.3 工艺过程
• 2.3.1 树脂/石墨双极板材料的制备
• 2.3.2 磨碎碳纤维增强复合双极板材料的制备
• 2.3.2.1 磨碎碳纤维的表面氧化处理
• 2.3.2.2 混料及试样制备
• 2.4 测试试样的加工
• 2.5 复合材料的性能测试
• 2.5.1 复合材料弯曲强度的测试
• 2.5.2 复合材料电导率的测试
• 2.5.3 复合材料的耐腐蚀性能测试
• 2.6 红外光谱分析
• 2.7 X射线衍射分析（XRD）
• 2.8 复合材料的微观结构分析
• 第三章 聚苯硫醚/石墨双极板复合材料的研究
• 3.1 PPS/G双极板材料加压时机及冷却方式的选择
• 3.1.1 加压时机对复合材料性能的影响
• 3.1.2 冷却方式对复合材料性能的影响
• 3.1.3 不同模压工艺制备的复合材料的断口扫描分析
• 3.2 人造石墨粉料对复合材料性能的影响
• 3.3 PPS/G（Ⅰ）双极板材料组分含量的优选及模压参数的确定
• 3.3.1 树脂含量对双极板材料性能的影响
• 3.3.2 成型温度及保温时间对复合材料性能的影响
• 3.4 PPS/G（Ⅱ）双极板材料组分含量的优选及模压参数的确定
• 3.4.1 PPS树脂含量对双极板复合材料性能的影响
• 3.4.2 成型温度对双极板复合材料性能的影响
• 3.4.3 保温时间对双极板复合材料性能的影响
• 3.4.4 PPS/G（Ⅱ）双极板材料组分含量的优选及模压参数的确定
• 3.5 本章小结
• 第四章 磨碎碳纤维增强 PPS/G燃料电池双极板材料的研究
• 4.1 空气和液相氧化处理后碳纤维的红外光谱分析
• 4.2 空气氧化处理碳纤维含量对 PPS/G双极板材料性能的影响
• 4.2.1 碳纤维含量对复合材料电导率的影响
• 4.2.2 碳纤维含量对复合材料弯曲强度的影响
• 4.3 空气加液相氧化处理碳纤维增强PPS/G双极板材料性能影响的研究
• 4.3.1 液相氧化处理时间的选择
• 4.3.2 碳纤维含量对复合材料弯曲强度的影响
• 4.3.3 碳纤维含量对复合材料电导率的影响
• 4.4 不同氧化处理方式的碳纤维增强复合材料的断口扫描分析
• 4.5 复合材料的断裂失效分析
• 4.6 磨碎碳纤维增强PPS/G复合材料的强度计算
• 4.7 本章小结
• 第五章 PPS/G及CF/（PPS/G）双极板材料在模拟燃料电池环境中的腐蚀性能研究
• 5.1 PPS/G双极板材料的腐蚀性能研究
• 5.1.1 浸泡时间对复合材料电导率的影响
• 5.1.2 浸泡时间对复合材料弯曲强度的影响
• 5.2 CF/（PPS/G）双极板材料的腐蚀性能研究
• 5.2.1 浸泡时间对复合材料电导率的影响
• 5.2.2 浸泡时间对复合材料弯曲强度的影响
• 5.3 模拟燃料电池环境对复合双极板材料性能影响机理分析
• 5.4 复合双极板材料与其它同类双极板材料的耐腐蚀性能比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的论文及获得的专利
• 学位论文评阅及答辩情况表