聚偏氟乙烯、高鋁水泥-填料復(fù)合材料雙極板的制備與性能研究.pdf

1、雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的關(guān)鍵部件之一，其制作成本和性能直接影響著PEMFC的商業(yè)化和性能，成為燃料電池產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。無孔石墨雙極板因性能優(yōu)異而被廣泛采用，但由于復(fù)雜的制備及后續(xù)機(jī)加工工藝，生產(chǎn)石墨雙極板的成本很高，其他各種替代雙極板材料的研制一直非常活躍。聚合物/填料復(fù)合材料雙極板因其制作工藝簡單，可以一次性復(fù)合模壓成型直接得到帶流場的雙極板，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，而成為目前PEMFC雙極板發(fā)展的主流和最具前景的發(fā)展方向

2、。目前，有關(guān)聚合物/填料復(fù)合材料雙極板的研制大都集中在樹脂基碳復(fù)合材料上，這類雙極板具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，但仍然存在電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度較低的缺點(diǎn)。尋求石墨等碳質(zhì)類導(dǎo)電填料的替代材料，與聚合物樹脂復(fù)合制備性能優(yōu)良的低成本PEMFC雙極板，便成為PEMFC雙極板開發(fā)研究中的一項(xiàng)重要課題。另外，燃料電池的增濕是一個(gè)正在攻克的難題，普遍采用的是外增濕，外增濕直接增加了燃料電池電堆的體積，內(nèi)增濕是目前主要的研究方向，特別是改變雙極板的結(jié)構(gòu)或材料來賦

3、予其增濕功能。 為此，本論文在借鑒實(shí)驗(yàn)室近年來研制碳化硅鈦(Ti3SiC2)的工作基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步擴(kuò)大Ti3SiC2的應(yīng)用范圍，采用Ti3SiC2作導(dǎo)電填料，與聚偏氟乙烯樹脂(PVDF)復(fù)合模壓制備導(dǎo)電復(fù)合材料，研究該復(fù)合材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性等，以期制備出滿足PEMFC運(yùn)行要求的雙極板。另外，論文采用高鋁水泥為粘結(jié)劑，Ti3Sic2與石墨混合作導(dǎo)電填料，通過模壓工藝制備出一種新型復(fù)合材料雙極板，在優(yōu)化該復(fù)合材

4、料性能、開發(fā)其內(nèi)增濕功能方面進(jìn)行了初步的探索。 首先，采用PVDF作膠粘劑，分別與石墨、TiC和Ti3SiC2復(fù)合模壓制備PVDF基導(dǎo)電復(fù)合材料。以滲流理論描述復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，通過考察導(dǎo)電填料種類及Ti3SiC2顆粒粒徑對復(fù)合材料滲流閥值高低、滲流轉(zhuǎn)變區(qū)域?qū)挾鹊挠绊?，結(jié)合對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的分析，確立了PVDF基導(dǎo)電復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理，為制備PVDF/填料復(fù)合材料雙極板奠定理論基礎(chǔ)。 采用石墨、TiC及Ti3SiC2

5、作導(dǎo)電填料，分別與PVDF復(fù)合于相同的工藝制度下模壓制備PVDF/填料復(fù)合材料，考察了導(dǎo)電填料種類對PVDF/填料復(fù)合材料物理性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明導(dǎo)電填料含量為80Wt％時(shí)，PVDF/Ti3SiC2復(fù)合材料導(dǎo)電性能優(yōu)于PVDF/TiC及PVDF/石墨復(fù)合材料，其力學(xué)、導(dǎo)熱及熱膨脹性能介于兩者之間。由此，我們認(rèn)定Ti3SiC2可以取代石墨及TiC作導(dǎo)電填料與PVDF復(fù)合制備性能優(yōu)良的燃料電池雙極板。 以Ti3SiC2作導(dǎo)電填料

6、，PVDF樹脂為粘結(jié)劑，制備了PVDF/Ti3SiC2復(fù)合材料雙極板。對Ti3SiC2含量、Ti3SiC2顆粒粒徑、Ti3SiC2顆粒級配以及模壓工藝條件對復(fù)合板導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能、機(jī)械性能和體積密度等的影響進(jìn)行了系統(tǒng)考察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Ti3SiC2質(zhì)量含量為80％、粗細(xì)Ti3SiC2顆粒質(zhì)量比值為4:1及適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，所制的PVDF/Ti3SiC2復(fù)合材料雙極板的導(dǎo)電及力學(xué)性能指標(biāo)均超過公認(rèn)的PEMFC雙極板性能要求，其導(dǎo)熱及

7、耐腐蝕性能還有待提高。 為進(jìn)一步優(yōu)化PVDF/Ti3SiC2復(fù)合材料雙極板的性能，同時(shí)降低PVDF/Ti3SiC2復(fù)合材料雙極板的制作成本，分別考察了第二相導(dǎo)電填料石墨及TiC的摻入對PVDF/Ti3SiC2復(fù)合材料性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著TiC含量增加，復(fù)合材料的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能出現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而力學(xué)性能則出現(xiàn)單調(diào)上升的趨勢。隨著石墨含量增加，復(fù)合材料的導(dǎo)電性能先降低后升高，導(dǎo)熱性能得以較大程度地提高，而力學(xué)性能線性

8、降低。 采用高鋁水泥作為粘結(jié)劑，Ti3SiC2與石墨混合作導(dǎo)電填料，通過室溫模壓的方法制備了高鋁水泥/填料導(dǎo)電復(fù)合材料。對其基本物理性能包括體積電導(dǎo)率、抗彎強(qiáng)度、體積密度、吸水率及耐酸腐蝕性能進(jìn)行了測量，并對其物相組成及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在Ti3SiC2質(zhì)量含量為40％、高鋁水泥質(zhì)量含量為20％及適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下，高鋁水泥/填料復(fù)合材料雙極板的體積電導(dǎo)率、抗彎強(qiáng)度及耐腐蝕性能基本上可以滿足質(zhì)子交換膜燃料電池的使用