燃料電池氣體擴(kuò)散層用碳纖維紙的研制.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是目前最有發(fā)展前景的清潔能源，是目前世界上研究熱度最高的燃料電池。氣體擴(kuò)散層是質(zhì)子交換膜燃料電池中的重要組件，起到支撐催化劑層，提供反應(yīng)氣體、生成水的重要傳質(zhì)通道，同時(shí)還要起到傳輸電能的作用。高性能碳纖維紙是目前應(yīng)用最廣泛的氣體擴(kuò)散層基底材料，國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，而我國(guó)尚沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。碳纖維紙的發(fā)展已經(jīng)成為制約我國(guó)自主開(kāi)發(fā)質(zhì)子交換膜燃料電池的障礙之一，我國(guó)急需生產(chǎn)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能碳纖維紙，以滿足

2、制造燃料電池的需求。 本文針對(duì)這一問(wèn)題，采用國(guó)產(chǎn)碳纖維氈片為原料，制備高性能的氣體擴(kuò)散層用碳纖維紙。通過(guò)研究確定了制備碳纖維紙的各項(xiàng)工藝條件對(duì)碳纖維紙結(jié)構(gòu)與性能的影響，開(kāi)發(fā)了直接浸漬樹(shù)脂-碳化、預(yù)處理后浸漬樹(shù)脂-碳化、納米管改性碳纖維紙三種制備工藝路線；詳細(xì)論述了各個(gè)工藝方法的優(yōu)缺點(diǎn)，確定預(yù)處理后浸漬樹(shù)脂-碳化工藝是制備碳纖維紙的最佳工藝方法，并確定該工藝方法中各項(xiàng)最佳的工藝參數(shù)，為連續(xù)化生產(chǎn)提供了寶貴的數(shù)據(jù)。利用分形維數(shù)的方法

3、表征了碳纖維紙的微觀結(jié)構(gòu)，為碳纖維紙進(jìn)一步的改進(jìn)提供依據(jù)。具體的研究成果如下： 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出碳纖維紙中短切碳纖維同樹(shù)脂碳的最佳體積比為1：0.7；模壓工藝參數(shù)為：模壓壓力1-3MPa；模壓溫度140-170℃；固化時(shí)間20-30min；確定預(yù)處理后浸漬樹(shù)脂-碳化工藝為制備碳纖維紙的最佳工藝。所得碳纖維紙的性能：厚度0.30mm，密度0.42g/cm<'3>，孔隙率77％，透氣率2800 mL·mm/(cm<'2>·hr·mm

4、Aq)，拉伸強(qiáng)度18MPa；對(duì)碳納米管進(jìn)行表面處理，處理液為濃H2804與濃HN04混合液，混合比為3：1。經(jīng)表面處理后的碳納米管在酚醛樹(shù)脂乙醇溶液中分散良好。利用經(jīng)表面處理后碳納米管改性的碳纖維紙的性能：厚度0.30mm，密度0.42 g/cm<'3>，孔隙率77％，透氣率2400mL·mm/(cm<'2>·hr·mmAq)，拉伸強(qiáng)度13MPa；采用分形維數(shù)的方法對(duì)碳纖維紙進(jìn)行表征。自制碳纖維紙和日本Toray公司生產(chǎn)的碳纖維紙的分形