编号：CYYJ04714
篇名： 碳纤维和铜作导电增强填料对石墨/树脂复合双极板各项性能的影响研究
作者： 闫高翔
关键词： 质子交换膜燃料电池; 复合双极板; 碳纤维; 铜; 电导率; 弯曲强度;
机构：郑州大学
摘要： 氢燃料电池,因能量效率高和清洁无污染而受到全世界的广泛关注。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于可低温启动、噪音低、功率密度高和结构简单的特点,在交通运输和便携式能源领域备受青睐。但目前由于成本较高、相关设施不完善等因素限制了其推广。双极板作为PEMFC的关键组件之一,重量约占电堆的80%,成本约占总成本的25-45%,制备出性能优异且成本较低的双极板对促进PEMFC的应用有重要意义。 双极板根据材质目前主要分为三种类型:石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板。石墨双极板具有优良的导电性和耐腐蚀性,但机械强度差,高温下加工困难且成本高;金属双极板导电性和力学强度优良,但在PEMFC酸性工作环境下耐久性差;复合材料双极板具有良好的力学性能、导电性和耐腐蚀性,但常常难以同时兼顾其力学性能和导电性能。如何制备兼具良好导电性和力学强度的复合双极板是影响其发展的关键因素。 本文首先对于使用不同碳系导电填料制备复合双极板进行了研究,以E-20环氧树脂为基体树脂,碳纤维(CF)作为导电增强材料与天然鳞片石墨制备复合材料双极板,以期碳纤维为“线”,鳞片石墨为“面”,线面结合优化复合材料内部导电路径。研究发现在总导电填料添加量为90 wt%时,CF添加量为3 wt%时制备的复合双极板取得最优的导电性和弯曲强度,电导率达到109.41 S/cm,弯曲强度为91.49MPa,在1.6MPa压力下复合双极板面积比电阻为35.84mΩ·cm2,测试其腐蚀电流密度为0.224μA·cm-2; 之后从探究金属导电填料能否作为导电增强材料制备复合双极板的角度出发,并且为解决CF/G/EP复合板仍存在的问题,使用纳米铜(nmCu)作为导电增强材料替代CF,研究了 nmCu对复合双极板性能的影响。研究结果显示仅添加1 wt%的nmCu,可以使复合材料电导率从95.97 S/cm提高至168.16 S/cm,虽然弯曲强度从62.93 MPa下降到了 46.04MPa,但仍满足使用要求,并且添加了nmCu的复合双极板在同样压力下,ASR降低至4.00 mΩ·cm2,热导率则达到28.810 W/mK,这表明nmCu的加入大幅提高了复合双极板导电性能和导热性能; 最后为了解决nmCu的加入导致的材料力学性能下降和耐腐蚀性能下降的问题,将碳纤维编织布作为连通的导电网络引入复合材料双极板中以降低材料内部形成多连通电子传导路径所需的填料含量,并构建“夹层结构”来调控铜在复合材料中的分布,从而避免铜的加入导致的耐腐蚀性能下降的问题。改进后的复合双极板在更低的导电填料添加量下取得了更优异的电导率(179.16 S/cm),并且力学强度得到极大提升(497.12 MPa),ASR相比nmCu/G/EP复合板小幅增加至5.5 mΩ·m2,腐蚀电流密度在添加更多、且粒径更大的微米级铜之后仅为0.257μA·cm-2。说明碳纤维编织布的引入使得材料内部更易形成多连通导电网络的同时还提高了材料力学性能,“夹层结构”则形成了对铜的保护,使得材料耐腐蚀性能得到了提高。 本文研究了不同类型导电增强材料对复合材料双极板各项性能的影响,证明了金属元素可作为导电增强材料改善复合双极板各项性能,并且设计构建夹层结构成功避免了因为添加铜而导致的耐腐蚀性能下降的问题。为复合材料双极板导电填料的选择提供了更多思路和可能性。