復合材料在燃料電池的應用

1、複合材料在燃料電池的應用一、實驗目的利用氧氈和酚醛樹酯來製成具有導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散層。二、實驗設備1.熱壓機2.碳化爐3.厚度計4.片電阻測試儀5.電子天平6.電子密度比重計。二、實驗材料1.1.碳纖維布2.2.酚醛樹脂3.鐵氟龍4.PES棉布四、實驗原理氣體擴散層，主要功能與其特點為：因為要通入氫氣及氧氣，必須具有高透氣性的功能，在材料的選擇上必 須採用多孔透氣材料。氣體擴散層所處環(huán)境同時存在還原介質(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散層的主要材料。為了確保電池組的溫度均勻分布，氣體擴散層必須是熱的良導體。 氣體擴散層必須具有

2、足夠的彎曲強度來抵抗操作壓力及熱循環(huán)穩(wěn)定性。PAN原纖維並不是導電性的材料，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電電子，且碳的柯澤豪教授編撰5.甲醇導電區(qū)域並不是連續(xù)也不連接，所以導電性低，幾乎可以視為絕緣體。為得到高的導電性必須經(jīng)過高溫的碳化處理。碳材料經(jīng)不同溫度碳化處理後，會使得非碳的元素揮發(fā)，進而促使碳的結(jié)晶區(qū)域成長以及連結(jié)，當整個具有導電的結(jié)晶區(qū)域一但串聯(lián)起來時，碳纖維的導電性會明顯的提高，甚至當碳化處理至石墨化纖維時還可以和金屬材相互比擬。所以碳化處理溫度是影響導電性的關鍵之一。本實驗乃針對於利用碳纖維織物作為碳電極之應用。由過去之研究中

3、得知，碳纖維之導電性會隨碳化、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電性亦有相同行為表現(xiàn)。特別是在lOOOcC至1300（C之間，其導電性會有劇烈增加趨勢?；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 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 格昂 貴 ）， 且 價 格 便 宜 同 時 又 具 有一 定 的 強 度 。最 主 要 是 酚 醛 樹 脂 在 裂解後仍有相當高的碳產(chǎn)率（50-55%） ，對碳/碳複合材料來說碳產(chǎn)率是一項不可忽略的性能， 可以視為碳/碳複合材料製造的成

4、本效益。PANPAN系碳纖維的碳化行為圖1是PAN在碳化反應過程中的分子結(jié)構(gòu)變化。PAN從250 C附近發(fā)生的側(cè)鏈反應，產(chǎn)生NH3、HCN等，接著環(huán)化變成一種梯形聚合物， 同時分子間也發(fā)生縮合反應。在200 C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)、pyrollido ne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，在600 C時H和0脫離，而含氮芳香族環(huán)的開環(huán)在500 C附近便開始作用了，最後在800 C達到最大。250t250t一700-13OOt700-13OOt：圖1、PAN系纖維的碳化過程中之結(jié)構(gòu)變化五、實驗方法

5、、裁切大約20cmT20cm的氧化纖維氈放入高溫爐至1000 r製成碳纖維氈接著調(diào)配5%樹脂+95%甲醇的樹脂溶液，將碳氈含浸至溶液中浸泡30秒將含浸完的碳氈放入70C烘箱中，烘乾15min,將甲醇充分揮發(fā)掉。 將烘乾完的碳氈放至熱壓機熱壓15mi n,壓力分別為10kg/cm2及30kg/cm2。最後放入碳化爐碳化1300 r既可完成。裁切試片成15cmTX15cm六、分析與檢測1 1密度測試將碳纖維紙烘乾24小時，秤重後置入試片座，通入氮氣，充氣清除十次後進行測試九十次，取最後十組數(shù)據(jù)平均。2.2.厚度量測在厚度量測中，利 用 厚度計，取其平均值。由厚度可以推測其材料體電阻係數(shù)，以及對於燃料電池中，濃度極化的影響。3.3.重量損失分析由於 碳材料在升溫 的過程中，隨著碳層平面的交鏈及重新排列堆疊，會發(fā)生去氫(Dehydroge nati on)及去氮(De ni troge natio n)反應，伴隨著小分子物如H20、CO、CO2、CH4、H2等在熱處理過程 的揮發(fā)， 造成 碳材 料的重量損失 。我們 以電 子天 秤， 量測 碳化 前後 重量 ， 以測得其 重量損失 。4.4.片電 阻測 試儀量測碳電極