质子交换膜燃料电池双极板用石墨基复合材料的研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效、低污染的动力源。在未来的车载驱动电源、便携式电源和家庭用电站等方面有着广阔的应用前景。目前限制其商业化的主要原因是成本太高。双极板是PEMFC的关键部件，也是决定燃料电池成本的主要因素。双极板材料研究对于质子交换膜燃料电池的商业化进程具有重要意义。双极板的材料主要有以下几种类型：金属材料、石墨材料、石墨／树脂复合材料、纤维增强石墨／树脂复合材料等。石墨／树脂复合材料、纤维增强石墨／树脂复合材料是质子交换膜燃料电池双极板材料研究的重要方向。本论文选择了S-ZD001聚酰亚胺树脂（S-ZD001 PI）、S-ZD002聚酰亚胺树脂（S-ZD002 PI）、L-ZD002聚酰亚胺树脂（L-ZD002 PI）、导电型聚苯胺（PAN）作为填充剂、石墨作为基体、碳纤维作为增强材料，用真空模压的方法制备出石墨／高分子复合材料。当石墨质量分数＞10％时，研究了石墨粒子的粒径、复合材料的制备方法、高分子填料、无机填料、成型温度、真空条件、以及碳纤维增强材料对复合材料性能的影响。通过对其电阻、粒径、SEM以及力学性能进行表征，实验结果表明：鳞片石墨复合材料的电阻值大于粒状石墨复合材料，主要原因在于所选用的粒状石墨的粒径要大于鳞片石墨，当复合材料填充相同比例的石墨时，粒径小的石墨产生更大的接触电阻。不同制备方法对电学性能的影响表现为：干法制备时，鳞片石墨复合材料电阻随含量变化曲线的斜率大于粒状石墨复合材料，而在湿法制备中，两种石墨复合材料的电阻变化率几乎相同。PAN复合材料的电学性比PI系列复合材料的电学性能要好。无机填料的加入，不能改善导电性。成型条件对石墨复合材料电学性能影响很大，随着成型温度升高，复合材料的电阻有上升趋势。经过真空处理的复合材料的微观结构，不连续界面少，可以形成更多的导电通道。复合材料中添加气液相氧化处理的碳纤维，材料的导电性能与力学性能最好，添加空气氧化处理纤维的性能最差。当石墨质量分数＜10％时，研究了复合材料的导电机理。通过对其电阻、IR、SEM、DMA进行表征，以及运用层积模型对复合材料体系电学性能进行了拟合，实验结果表明：用偶联剂处理过的复合材料比未处理的在电阻性能上有较大改善，石墨粒子开始形成导电网络时的体积分数临界值Φc降低1.43％。IR和DMA验证了温度升高使聚苯胺基体结构向苯-苯式转化，这一过程导致体系电阻在80℃之后呈下降趋势。层积模型对复合材料体系的拟合结果较好地符合了电导率与体积分数之间的线性关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池概述
• 1.2 燃料电池的分类及其国内外的研究进展
• 1.2.1 碱性燃料电池（alkaline fuel cell简称AFC）
• 1.2.2 磷酸盐燃料电池（phosphoric acid fuel cell简称PAFC）
• 1.2.3 熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cell简称MCFC）
• 1.2.4 固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell简称SOFC）
• 1.2.5 直接醇类燃料电池（direct methanol fuel cell简称DMFC）
• 1.2.6 质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell简称PEMFC）
• 1.3 质子交换膜燃料电池的工作原理
• 1.4 质子交换膜双极板材料的分类
• 1.4.1 石墨材料
• 1.4.2 金属材料
• 1.4.3 复合材料
• 1.4.3.1 热固性聚合物
• 1.4.3.2 热塑性聚合物
• 1.4.3.3 其他
• 1.5 燃料电池用碳纤维增强材料
• 1.5.1 碳纤维生产技术
• 1.5.1.1 聚丙烯腈基碳纤维
• 1.5.1.2 合相成长法碳纤维
• 1.5.1.3 沥青基碳纤维
• 1.5.2 碳纤维的性能
• 1.5.2.1 碳纤维的物理性能
• 1.5.2.2 碳纤维的化学性能
• 1.5.2.3 碳纤维表面处理方法
• 1.6 复合材料的导电理论
• 1.6.1 渗滤理论
• 1.6.2 有效介质理论
• 1.6.3 量子力学隧道导电机理
• 1.6.3.1 隧道导电理论
• 1.6.3.2 电场发射理论
• 1.7 国内外现状
• 1.8 本章小结
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验原料与实验仪器
• 2.2 实验样品制备方法
• 2.2.1 不含碳纤维样品制备方法
• 2.2.1.1 干法制备
• 2.2.1.2 湿法制备
• 2.2.2 含碳纤维样品制备方法
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 电性能测试
• 2.3.2 粒径测试
• 2.3.3 力学性能测试
• 2.3.4 其他
• 第三章 石墨和高分子复合材料电学性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 石墨粒子和制备方法对复合材料电学性能的影响
• 3.2.1.1 石墨粒子对复合材料电学性能的影响
• 3.2.1.1.1 干法制备中石墨对复合材料电学性能的影响
• 3.2.1.1.2 湿法制备中石墨对复合材料电学性能的影响
• 3.2.2 填料对复合材料电学性能的影响
• 3.2.2.1 高分子填料对复合材料电学性能的影响
• 3.2.2.2 无机填料对复合材料电阻的影响
• 3.2.2.3 碳纤维增强材料对电学性能的影响
• 3.2.3 成型条件对电学性能的影响
• 3.2.3.1 成型温度对电阻性能的影响
• 3.2.3.2 真空条件对材料电学性能的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 复合材料导电机理研究
• 4.1 前言
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 石墨对复合材料的结构及导电性能的影响
• 4.2.1.1 电阻和石墨含量的关系
• 4.2.1.2 石墨的形态和微观结构
• 4.2.2 偶联剂对复合材料的结构及导电性能的影响
• 4.2.2.1 电阻和石墨含量的关系
• 4.2.2.2 石墨的微观结构形态
• 4.2.3 影响机理
• 4.2.4 温度对复合材料的结构及其导电性能的影响
• 4.2.5 影响机理
• 4.2.6 导电模型的模拟
• 4.3 本章小结
• 第五章 复合材料力学性能研究
• 5.1 前言
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 碳纤维表面处理及其表面形貌变化
• 5.2.2 树脂对复合材料性能的影响
• 5.2.3 碳纤维对复合材料性能的影响
• 5.2.3.1 试验结果与最佳碳纤维含量的确定
• 5.2.3.2 经过表面处理的碳纤维对复合材料性能的影响
• 5.2.3.3 不同方法处理的碳纤维对复合材料形貌的影响
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表论文与主要工作及个人简介