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?shù)酯來(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(shù)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：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。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。扮演電流的傳導(dǎo)器，因此氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電度必須有一定水準(zhǔn)以上。為

2、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。 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 溫度是影響導(dǎo)電性的關(guān)鍵

3、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1000cC至1300C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(shù)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(shù) 脂 在 裂解 後仍有相 當(dāng)高的碳產(chǎn)率50-55% ，對(duì)

4、 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1是PAN在碳化反應(yīng)過(guò)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(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 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)、 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(chēng)為安定化工程。接著由於碳化的 持續(xù)反 應(yīng)，在600 C時(shí)H和O脫離，而含氮芳香族環(huán)的開(kāi)環(huán)在500 C附 近便開(kāi)始作用了，最後在

5、800 C達(dá)到最大。+ NH3700-1300t圖1、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、裁切大約20cm20cm的氧化纖維氈(2) 、放入高溫爐至1000 C製成碳纖維氈(3) 、接著調(diào)配5%樹(shù)脂+95%甲醇的樹(shù)脂溶液,將碳?xì)趾寥芤褐薪?0秒(4) 、將含浸完的碳?xì)址湃?0C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 C既可完成。(7) 、 裁切試片成15cmX15cm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)?，充氣去除?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(Dehydroge nati on) 及去氮(De ni troge natio n) 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