质子交换膜燃料电池用石墨/树脂复合双极板的研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的连续发电装置,具有能量转换效率高、噪音低、结构简单、发电效率受负载变化影响小等优点,被公认为是21世纪最有发展前景的洁净、高效的发电技术。双极板是PEMFC的关键部件之一,其质量的好坏直接决定电池堆输出功率的大小和使用寿命的长短,其成本占电池堆总成本的40%左右,直接决定着PEMFC的商业化步伐。本论文针对现有PEMFC双极板成本高的问题,采用天然鳞片石墨和改性酚醛树脂为主要原料,在开发高性能、低成本PEMFC双极板材料和工艺方面进行了一些探索和尝试,并对所研制石墨/树脂复合双极板在PEMFC中的应用性能进行了初步研究。论文以电导率和抗折强度作为双极板性能的主要衡量指标,研究了树脂配比、树脂含量、石墨种类、石墨粒度、炭黑含量、溶剂比、原料混合方式和混合时间、成型压力、保压时间以及热固化温度等因素对石墨/树脂复合双极板结构和性能的影响。研究结果表明在酚醛树脂体系中加入适量环氧树脂可显著改善复合双极板的力学性能。采用超声分散技术可使复合材料各组分混合得更加均匀,极大地提高复合双极板的综合性能。制备石墨/树脂复合双极板的最佳工艺条件为：树脂体系中环氧树脂含量10wt%；树脂含量15wt%；采用-200目天然鳞片石墨为主要导电骨料；炭黑含量4wt%；溶剂比1.0；超声分散1h；成型压力160-200MPa；保压时间1～3min；固化温度175℃。研究取得了极具开发前景的结果,可对石墨/树脂复合双极板实现一步模压成形,大大减少生产工序,缩短生产周期,降低生产成本。所研制的石墨/树脂复合双极板的体积密度≥1.85g·cm-3,电导率≥120S·cm-1,抗折强度≥38MPa,均能达到美国能源部（DOE）提出的标准,但阻气性能还有待进一步提高。模拟试验表明,复合双极板在PEMFC运行环境下性能较稳定。以复合双极板组装的PEMFC单电池的开路电压为0.9V左右,在电流密度为1.56A·cm-2时可获得最大功率密度0.66W·cm-2。与以无孔石墨板组装的PEMFC单电池相比,由于复合双极板的电导率小于无孔石墨双极板,因而在大电流密度条件下,以复合双极板组装的PEMFC单电池的电压和功率密度皆小于以无孔石墨板为双极板的PEMFC单电池。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池概述
• 1.1.1 燃料电池的发展历史与现状
• 1.1.2 燃料电池的基本原理及特点
• 1.1.3 燃料电池的分类
• 1.1.4 燃料电池的应用前景
• 1.2 质子交换膜燃料电池
• 1.2.1 PEMFC的工作原理
• 1.2.2 PEMFC的结构及基本组件
• 1.3 双极板概述
• 1.3.1 双极板的功能和特点
• 1.3.2 双极板的流场形式
• 1.3.3 双极板的材料
• 1.3.3.1 无孔石墨双极板
• 1.3.3.2 金属双极板
• 1.3.3.3 石墨/聚合物复合材料双极板
• 1.3.3.4 结构复合双极板
• 1.4 本论文的选题及主要研究内容
• 第2章 实验方法
• 2.1 实验原料及设备
• 2.1.1 主要实验原料
• 2.1.2 主要工艺设备
• 2.1.3 主要测试仪器
• 2.2 石墨/树脂复合双极板的制备工艺
• 2.2.1 石墨/树脂复合粉体的制备工艺
• 2.2.1.1 机械混合法
• 2.2.1.2 超声分散法
• 2.2.2 石墨/树脂复合双极板的成型工艺
• 2.2.3 石墨/树脂复合双极板的热固化工艺
• 2.3 石墨/树脂复合双极板的组织结构与性能分析
• 2.3.1 微观形貌分析
• 2.3.2 X射线衍射分析
• 2.3.3 综合热分析
• 2.3.4 电导率测量
• 2.3.5 抗折强度测量
• 2.3.6 体积密度测量
• 2.3.7 润湿角测量
• 2.3.8 吸水率测量
• 2.3.9 气孔率测量
• 2.3.10 耐老化性能测试
• 2.3.11 气密性测试
• 2.3.12 电化学性能测试
• 第3章 原料配方对复合双极板结构与性能的影响
• 3.1 树脂配比的影响
• 3.2 树脂含量的影响
• 3.3 石墨种类的影响
• 3.4 石墨粒度的影响
• 3.5 炭黑含量的影响
• 3.6 溶剂比的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 制备工艺对复合双极板结构与性能的影响
• 4.1 原料混合方式及混合时间的影响
• 4.2 成型压力的影响
• 4.3 保压时间的影响
• 4.4 固化温度的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 石墨/树脂复合双极板在质子交换膜燃料电池中的应用性能研究
• 5.1 石墨/树脂复合双极板的润湿性
• 5.1.1 接触角
• 5.1.2 吸水率
• 5.2 石墨/树脂复合双极板的耐腐蚀性
• 5.2.1 酸溶失重
• 5.2.2 电导率变化
• 5.2.3 抗折强度变化
• 5.3 石墨/树脂复合双极板的阻气性
• 5.4 石墨/树脂复合双极板的热稳定性
• 5.5 石墨/树脂复合双极板的电化学性能
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士期间所发表的论文