质子交换膜燃料电池用碳纤维纸的性能优化

【摘要】：气体扩散层在质子交换膜燃料电池电极中不仅起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道等多种功能，是质子交换膜燃料电池的重要组成材料。 本文以酚醛树脂为粘合剂，中间相沥青粒子为添加剂，通过浸渍、模压、碳化、石墨化工艺将一种廉价的国产碳纤维纸原纸制成气体扩散层使用的碳纤维纸，表征了所得碳纤维纸的厚度、密度、孔隙率、透气性、电阻率和拉伸强度等主要性能，分析了产品的表面形态和晶体结构，探讨了中间相沥青提高碳纤维纸导电性和拉伸强度的作用机理。将所得碳纤维纸进行了憎水处理，表征了其憎水性能。 研究结果表明，模压工艺、碳化方法及热处理温度直接影响产品的结构和性能。中间相沥青粒子在提高导电性和拉伸强度的同时，较好地保持了碳纤维纸的孔隙率和透气性。 所得最佳模压工艺条件为：温度130～150℃，压力3.5～4.5MPa，时间20～30min。碳化时，于300℃恒温20min有利于提高碳纤维纸的拉伸强度。当中间相沥青粒子的添加量达到15～20％时，所得复合导电碳纤维纸的性能为：厚度0.21～0.23mm；密度～0.50gcm~(-3)；孔隙率～70％；透气性～30mmH2O(气量流速为600mLmin~(-1)；电阻率0.0030～0.0040Ωcm；拉伸强度～25MPa，基本满足气体扩散层用碳纤维纸的需求。