纤维增强树脂/石墨复合材料双极板制备与性能研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）以能量转换率高、无污染和功率密度高等优点被认为是适应未来环境要求的理想新能源之一。双极板作为PEMFC中关键部件之一,它的性能优劣直接影响整个电池堆的成本价格、体积大小、使用寿命以及输出功率等。因此,寻找一种成本低廉且性能优越的双极板材料是人们目前PEMFC主要研究课题之一。本文作者采用价格低廉的酚醛树脂（PF）、环氧树脂（EP）和石墨粉,通过干混球磨混合,以低温热压烧结方式制备磨碎炭纤维增强树脂/石墨复合材料。期望通过优选合适的制备工艺和原材料来提高材料的综合性能,同时降低材料的成本。磨碎炭纤维增强树脂/石墨复合材料的性能不仅受所用的原材料影响,而且与相应的比例有关,另外还受到烧结成型工艺条件的制约。首先,为了确定一个成熟可靠的成型工艺条件,安排了两个单因素试验来确定成型工艺中的重要影响参数固化温度和固化时间。然后通过均匀试验,对原材料及相互配比进行了筛选和优化,且对其中的主要影响因素再采用单因素试验来进行验证对比。在综合考虑复合材料弯曲强度和电导率两个性能指标之后,确定了磨碎炭纤维增强树脂/石墨复合材料的导电填料使用粒度为80～120目的天然鳞片石墨（FG）和160～200目的人造石墨（SG）混合使用,含量分别为45wt%和33wt%。粘结剂使用EP和PF的共混树脂,其官能团摩尔比为1：3,总树脂含量为17wt%。再加上5wt%磨碎炭纤维增强体,此时得到的复合材料弯曲强度为50.9MPa,电导率达到376.8S·cm-1。同时该材料具有良好的阻气性和耐腐蚀性,且能够在PEMFC环境中长期使用。为进一步验证纤维增强树脂/石墨复合材料能否适用于作为制备双极板的材料,在选用了一种典型的双极板流场布置之后,设计和制造了相应的配套模具,然后着重讨论了脱模效果这一模压成型时的关键问题。在研究了多种内、外脱模剂的脱模效果之后,在直接采用硬脂酸锌当外脱模剂使用时,成功压制出流道清晰的双极板。根据纤维增强复合材料理论,在汇总了纤维的方向系数、粘结系数和长度有效系数的基础上,从而推出了短炭纤维三维取向增强复合材料的强度预估公式。结合试验数据,对预估公式进行了验证。随着炭纤维含量的增加,估计值与实测值之间的误差越来越大。根据预估公式对提高炭纤维的增强效果提出了几点建议：1.尽量选用炭纤维长度接近临界长度的纤维；2.优选适量的炭纤维含量；3.增强炭纤维与树脂之间的结合强度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 物理量名称及符号表
• 英文术语缩写表
• 第1章 绪论
• 1.1 质子交换膜燃料电池概述
• 1.2 双极板的功能及主要性能指标
• 1.3 双极板研究综述
• 1.3.1 石墨材料
• 1.3.2 金属材料
• 1.3.3 复合材料
• 1.4 课题的提出
• 1.5 研究内容
• 第2章 试验材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 粘结剂
• 2.1.2 导电填料
• 2.1.3 纤维增强体
• 2.1.4 脱模剂
• 2.2 试验仪器设备
• 2.3 样品制备方法
• 2.3.1 磨碎炭纤维增强树脂/石墨复合材料的制备方法
• 2.3.2 磨碎炭纤维增强树脂/石墨复合材料双极板的制备方法
• 2.4 样品性能测试
• 2.4.1 弯曲强度
• 2.4.2 电导率
• 2.4.3 硬度
• 2.4.4 体积密度
• 2.4.5 显气孔率
• 2.4.6 透气性
• 2.4.7 耐腐蚀性
• 2.4.8 模拟PEMFC工作环境下的性能老化
• 2.5 微观结构分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 纤维增强树脂/石墨复合材料的研究
• 3.1 成型工艺研究
• 3.1.1 固化温度对复合材料的影响
• 3.1.2 固化时间对复合材料的影响
• 3.2 原材料研究与优化
• 3.2.1 实验安排和结果
• 3.2.2 直观分析
• 3.2.3 线性回归分析
• 3.2.4 单因素对复合材料性能的影响
• 3.2.5 其它性能测试结果
• 3.3 本章小结
• 第4章 纤维增强树脂/石墨复合材料双极板的制备
• 4.1 双极板和模具设计
• 4.1.1 选用的双极板类型
• 4.1.2 模具的设计与使用
• 4.2 纤维增强树脂/石墨复合材料双极板的成型
• 4.2.1 外脱模剂
• 4.2.2 内脱模剂
• 4.3 脱模机理
• 4.4 本章小结
• 第5章 纤维增强树脂/石墨复合材料的增强机理浅析
• 5.1 环氧改性酚醛树脂固化机理
• 5.2 纤维增强复合材料弯曲强度的预估理论
• a'>5.2.1 纤维方向系数K_a
• b'>5.2.2 纤维粘结系数k_b
• c'>5.2.3 纤维长度有效系数K_c
• 5.3 三维取向纤维增强复合材料强度预估公式
• 5.4 纤维增强复合材料强度预估公式的验证
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 在读期间发表的论文及专利
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表