樹(shù)脂-石墨PEMFC雙極板連續(xù)模壓工藝及應(yīng)用性能研究.pdf

1、隨著能源緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重，節(jié)能環(huán)保成為人類不懈努力的方向。燃料電池以其效率高、零污染、使用方便等特點(diǎn)成為人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。其中質(zhì)子交換膜燃料電池proton exchange membrane fuel cell(PEMFC)是目前燃料電池研究的主流。雙極板為PEMFC的關(guān)鍵部件之一，其體積、質(zhì)量、成本分別占PEMFC電池組的80％、70％、60％。因此，雙極板材料及加工技術(shù)的突破將有利于燃料電池的商業(yè)化。作者研究了樹(shù)脂/石墨復(fù)合

2、材料雙極板的連續(xù)模壓成形工藝及應(yīng)用性能，期望通過(guò)優(yōu)選合適的原材料和連續(xù)模壓成形工藝來(lái)提高雙極板的應(yīng)用性能，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
　　文中首先對(duì)樹(shù)脂/石墨復(fù)合材料配方工藝進(jìn)行優(yōu)選。選擇了價(jià)格低廉、性能優(yōu)異的酚醛樹(shù)脂作為粘結(jié)劑，以彎曲強(qiáng)度與導(dǎo)電率為優(yōu)化目標(biāo)，確定合適的酚醛樹(shù)脂種類;并相繼對(duì)酚醛樹(shù)脂含量、石墨粒徑進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明:酚醛樹(shù)脂種類為PF5120;酚醛樹(shù)脂最佳含量為18wt％，最佳石墨粒徑分布范圍為-100目;此時(shí)

3、，復(fù)合材料的導(dǎo)電率與彎曲強(qiáng)度分別為142.7S/cm和51MPa。在本課題組前期設(shè)計(jì)的單片模壓成形模具基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了樹(shù)脂/石墨復(fù)合材料雙極板連續(xù)成形裝置，并以彎曲強(qiáng)度與導(dǎo)電率為優(yōu)化目標(biāo)，研究了樹(shù)脂/石墨復(fù)合材料板連續(xù)成形工藝，結(jié)果表明:酚醛樹(shù)脂/石墨復(fù)合材料板最佳連續(xù)模壓成形工藝條件為:成形溫度為200℃、成形時(shí)間為30min、成形壓力為30MPa，此時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)電率與彎曲強(qiáng)度分別為115.8S/和39.2MPa。
　　在研究

4、連續(xù)模壓成形工藝的基礎(chǔ)上，研究了復(fù)雜流道雙極板的高效成形性，研究了模具表面光潔度、投料環(huán)境溫度的選擇、脫模方式的選擇、脫模溫度、及連續(xù)模壓成形工藝對(duì)樹(shù)脂/石墨雙極板成形性的影響，通過(guò)對(duì)成形板的表面粗糙度，流道的外觀質(zhì)量分析，得出了雙極板最佳成形條件。結(jié)果表明:投料溫度為室溫時(shí)易于脫模;使用硅油外脫+硬脂酸鋅內(nèi)脫時(shí)，成形性良好，雙極板表面粗糙度分別為579.53nm和647.37nm;脫模溫度低時(shí)雙極板流道清晰且光滑，選擇60℃～80℃為

5、最佳脫模溫度。連續(xù)模壓成形雙極板最佳成形條件為模壓溫度～200℃、成型壓力30MPa、雙極板單次壓制時(shí)間10min。
　　內(nèi)脫模劑硬脂酸鋅的加入對(duì)雙極板的脫模性有很大改善，但是對(duì)雙極板的應(yīng)用性能造成一定的影響，因此研究了脫模劑對(duì)雙極板彎曲強(qiáng)度與導(dǎo)電率的影響、不同熱處理溫度對(duì)雙極板彎曲強(qiáng)度與導(dǎo)電率的影響，以及雙極板的耐老化性能、耐腐蝕性以及潤(rùn)濕性能。為改善由于脫模劑的加入，雙極板的導(dǎo)電率降低的問(wèn)題，研究了碳納米管增強(qiáng)的樹(shù)脂/石墨復(fù)合

6、材料雙極板。結(jié)果表明:當(dāng)硬脂酸鋅含量為2wt％時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度與導(dǎo)電率均達(dá)到最高值，分別為56.3MPa和97.5S/cm;由于連續(xù)模壓成形的特點(diǎn)，成形后的雙極板無(wú)需后序熱處理;經(jīng)過(guò)30天的耐老化性能研究顯示，雙極板的耐老化性能較好，彎曲強(qiáng)度降至44.1MPa，仍超過(guò)美國(guó)DOE標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)電率基本不變;雙極板的表面接觸角為88.95°，潤(rùn)濕性良好;耐腐蝕性良好，氣密性為2.18×10-10m3·m-2·s-1·Pa-1;使用碳納米管增