膨胀石墨%2f酚醛树脂复合材料双极板研究.pdfVIP

膨胀石墨／酚醛树脂复合材料双极板的研究 刘洪波，陈惠，杨荔，杨丽，何月德 (湖南大学材料科学与工程学院，长沙，410082) 摘要：本文以膨胀石墨为导电骨料、炭黑为添加剂、酚醛树脂为粘结剂，采用模压成型工艺 制备质子交换膜燃料电池用膨胀石墨／酚醛树脂复合材料双极板。考察了酚醛树脂用量、成型压 力、添加剂用量及添加剂加入方式对复合材料性能的影响。结果表明，石墨／酚醛树脂复合材料 的抗折强度和电导率之间存在“此消彼长”的现象，当酚醛树脂用量为20-30％时，复合材料同 时具有较高的电导率和抗折强度。随着成型压力的增大，复合材料的电导率和抗折强度都有较 大的增加。与炭黑分散在石墨中相比，将炭黑分散在粘结剂中时制备的复合材料性能较好。 关键词：燃料电池；双极板：复合材料；膨胀石墨；酚醛树脂 1前言 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置，其 燃料可采用氢、醇、碳氢化合物或其经重整后富含H2的重整气等，氧化剂一般为 02或空气【1。21。与传统电池的工作方式完全不同，燃料电池不需要充电，只需要将 燃料直接送入燃料电池系统，就能源源不断地将燃料的化学能转变成电能，因此它 具有其它能量转换装置不可比拟的优越性。 成本过高是质子膜燃料电池(PEMFC)难以商业化应用的主要因素，双极板约 除了改进三合一膜电极组件‘51、降低铂含量‘61或选用铂的替代金属外，主要是设法 选择合适的双极板材料、流场结构和合理的组装工艺，以降低电池的内阻，提高电 池输出功率，改善电池性能。因此，寻求和设计价廉、质轻、板薄、力学性能好、 电导率高、透气率低、耐腐蚀的材料以及成本较低的制备技术是双极板发展的目标。 目前主要采用石墨粉或碳粉与树脂(酚醛树脂、环氧树脂等)、导电胶等粘结剂相混 合，采用注塑、模压等方法制备双极板。虽然石墨／聚合物复合材料的电导率较纯 石墨材料低，但是完全能满足PEMFC的要求，因此各发达国家都非常重视这种双极 板的开发[7-121。由于以石墨和酚醛树脂为主要原料制备的复合材料双极板脆性较大， 因此，我们利用膨胀石墨质轻、加工成型性好、具有一定柔性的特点，探讨了以膨 52 胀石墨为导电骨料，酚醛树脂为粘结剂制备的膨胀石墨／酚醛树脂复合材料的性能 与工艺条件的关系。 2实验 2．1原料 天然鳞片石墨，青岛古宇石墨有限公司，固定碳含量≥99．9％；高导电炭黑： 中橡集团炭黑化工设计研究院，型号SL．36；氨酚醛树脂：长沙志达绝缘化工有限公 司提供，固含量70．75％，粘度80．200秒(涂四杯23±2℃)。无水乙醇：分析纯，湖南 汇虹试剂有限公司，CH3CH20H≥99．7％。 2．2样品的制备 将天然鳞片石墨浸渍于H2S04、HN03的混合溶液中，搅拌反应30分钟，过滤， 水洗至pH值约5．6，烘干，制得可膨胀石墨。经900。C高温膨化处理制得外观呈蠕虫 形状的膨胀石墨。按设计的比例将膨胀石墨、高导电炭黑、酚醛树脂和无水乙醇等 放入烧杯中，采用机械搅拌与超声分散的方法混合均匀，将混合物干燥后破碎成粉。 然后将混合粉料放入模具中在室温和一定的压力模压成型，再按一定的升温制度(60 进行固化处理，冷却后即得所制备的样品。 2．3结构与性能表征 将不同工艺条件下制备的各种膨胀石墨／酚醛树脂复合材料样品加工成 60x5x2mm的试样，采用LWK-250型微控电子拉力实验机和三点弯曲法测定试样的 针测试仪测定试样的体积电导率。试样的表面和断面形貌采用JSM．6700F型扫描电 镜和MM．6金相显微镜观察。 3结果与讨论 3．1酚醛树脂用量对复合材料性能的影响 膨胀石墨／酚醛树脂复合材料中，树脂固化后不导电，复合材料的导电主要依靠 膨胀石墨颗粒，因此随着酚醛树脂用量的增加，复合材料的电导率也不断降低(图1)。 53 图1酚醛树脂用量对复合材料性能的影响 膨胀石墨／酚醛树脂复合材料的力学性能主要取决于树脂与骨料间的界面粘结 力和表面凹凸不平的膨胀石墨颗粒在模压形变过程中产生的机械咬合力n3‘。从金相 显微照片(见图2)可以看出，随着树脂含量的增加，膨胀石墨颗粒(白色)的表面逐 渐被树脂(灰色)覆盖、颗粒间的孔隙(黑色)逐渐被树脂填充，孔隙率减小，因 此复合材料的抗折强度随酚醛树脂用量的增加而增大。 上述结果表明，随酚醛树