復(fù)合材料在燃料電池的應(yīng)用

1、複合材料在燃料電池的應(yīng)用柯澤豪教授編撰一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦醚鯕趾头尤漉?lái)製成具有導(dǎo)電性且高透氣度的碳紙，用於質(zhì)子交換膜燃料電池的氣體擴(kuò)散層。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.熱壓機(jī) 2.碳化爐 3.厚度計(jì) 4.片電阻測(cè)試儀 5.電子天平 6.電子密度比重計(jì)。三、實(shí)驗(yàn)材料1.碳纖維布2.酚醛樹脂3. 鐵氟龍4.PES棉布5.甲醇四、實(shí)驗(yàn)原理氣體擴(kuò)散層，主要功能與其特點(diǎn)為：l 因?yàn)橐ㄈ霘錃饧把鯕?，必須具有高透氣性的功能，在材料的選擇上必須採(cǎi)用多孔透氣材料。l 氣體擴(kuò)散層所處環(huán)境同時(shí)存在還原介質(zhì)與氧化介質(zhì)，所以必須具有抗腐蝕能力。因此選擇碳材料作為氣體擴(kuò)散層的主要材料。l 扮演電流的傳導(dǎo)器，因此氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電度必須

2、有一定水準(zhǔn)以上。l 為了確保電池組的溫度均勻分布，氣體擴(kuò)散層必須是熱的良導(dǎo)體。l 氣體擴(kuò)散層必須具有足夠的彎曲強(qiáng)度來(lái)抵抗操作壓力及熱循環(huán)穩(wěn)定性。PAN原纖維並不是導(dǎo)電性的材料，這乃是非碳元素(諸如:氧、氮、氫等)鍵結(jié)在碳上面，而這些非碳元素並不能提供多餘的導(dǎo)電電子，且碳的導(dǎo)電區(qū)域並不是連續(xù)也不連接，所以導(dǎo)電性低，幾乎可以視為絕緣體。為得到高的導(dǎo)電性必須經(jīng)過(guò)高溫的碳化處理。碳材料經(jīng)不同溫度碳化處理後，會(huì)使得非碳的元素?fù)]發(fā)，進(jìn)而促使碳的結(jié)晶區(qū)域成長(zhǎng)以及連結(jié)，當(dāng)整個(gè)具有導(dǎo)電的結(jié)晶區(qū)域一但串聯(lián)起來(lái)時(shí)，碳纖維的導(dǎo)電性會(huì)明顯的提高，甚至當(dāng)碳化處理至石墨化纖維時(shí)還可以和金屬材相互比擬。所以碳化處理溫度是影響

3、導(dǎo)電性的關(guān)鍵之一。本實(shí)驗(yàn)?zāi)酸槍?duì)於利用碳纖維織物作為碳電極之應(yīng)用。由過(guò)去之研究中得知，碳纖維之導(dǎo)電性會(huì)隨碳化、石墨化溫度升高而隨之增加。而其織物結(jié)構(gòu)物，如碳纖維布、碳纖維氈等製品之導(dǎo)電性亦有相同行為表現(xiàn)。特別是在1000ºC至1300ºC 之間，其導(dǎo)電性會(huì)有劇烈增加趨勢(shì)?；牡倪x擇在製造碳/碳複合材料中扮演重要角色，在幾種常用基材中，由於酚醛樹脂的加工性容易，來(lái)源取得方便（與高品質(zhì)瀝青相比，高品質(zhì)瀝青為軍事管制品，取得不易且價(jià)格昂貴），且價(jià)格便宜同時(shí)又具有一定的強(qiáng)度。最主要是酚醛樹脂在裂解後仍有相當(dāng)高的碳產(chǎn)率（50-55%），對(duì)碳/碳複合材料來(lái)說(shuō)碳產(chǎn)率是一項(xiàng)不可忽略的性能，可

4、以視為碳/碳複合材料製造的成本效益。PAN系碳纖維的碳化行為圖是PAN在碳化反應(yīng)過(guò)程中的分子結(jié)構(gòu)變化。PAN從250附近發(fā)生的側(cè)鏈反應(yīng)，產(chǎn)生NH3、HCN等，接著環(huán)化變成一種梯形聚合物，同時(shí)分子間也發(fā)生縮合反應(yīng)。在200附近受氧化處理的PAN除了有氫化吡啶環(huán)外，另外也由吡啶環(huán)、pyrollidone環(huán)等含氮的六環(huán)碳形成梯狀聚合物，此工程在碳纖維的製程稱為安定化工程。接著由於碳化的持續(xù)反應(yīng)，在600時(shí)H和O脫離，而含氮芳香族環(huán)的開環(huán)在500附近便開始作用了，最後在800達(dá)到最大。圖、PAN系纖維的碳化過(guò)程中之結(jié)構(gòu)變化 五、實(shí)驗(yàn)方法(1)、 裁切大約20cm×20cm的氧化纖維氈(2)、

5、 放入高溫爐至1000製成碳纖維氈(3)、 接著調(diào)配5%樹脂+95%甲醇的樹脂溶液，將碳?xì)趾寥芤褐薪?0秒(4)、 將含浸完的碳?xì)址湃?0烘箱中，烘乾15min，將甲醇充分揮發(fā)掉。(5)、 將烘乾完的碳?xì)址胖翢釅簷C(jī)熱壓15min，壓力分別為10kg/cm2及30kg/cm2。(6)、 最後放入碳化爐碳化1300既可完成。(7)、 裁切試片成15cm×15cm六、分析與檢測(cè) 1.密度測(cè)試將碳纖維紙烘乾24小時(shí)，秤重後置入試片座，通入氮?dú)?，充氣清除十次後進(jìn)行測(cè)試九十次，取最後十組數(shù)據(jù)平均。2. 厚度量測(cè)在厚度量測(cè)中，利用厚度計(jì)，取其平均值。由厚度可以推測(cè)其材料體電阻係數(shù)，以及對(duì)於燃料電池中，濃度極化的影響。3. 重量損失分析由於碳材料在升溫的過(guò)程中，隨著碳層平面的交鏈及重新排列堆疊，會(huì)發(fā)生去氫(Dehydrogenation)及去氮(Denitrogenation)反應(yīng)，伴隨著小分子物如H2O、CO、CO2、CH4、H2等在熱處理過(guò)程的揮發(fā)，造成碳材料的重量損失。我們以電子天秤，量測(cè)碳化前後重量，以測(cè)得其重量損失。4. 片電阻測(cè)試儀量測(cè)碳