复合材料在燃料电池的应用

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1、複合材料在燃料電池的應用柯澤豪教授編撰一、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。三、實驗材料1.碳纖維布2.酚醛樹脂3.鐵氟龍4.PES棉布5.甲醇四、實驗原理氣體擴散層，主要功能與其特點為：l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。l氣體擴散層所處環境同時存在還原介質與氧化介質，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

2、料。l扮演電流的傳導器，因此氣體擴散層的導電度必須有一定水準以上。l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。l氣體擴散層必須具有足夠的彎曲強度來抵抗操作壓力及熱循環穩定性。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，且碳的導電區域並不是連續也不連接，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過高溫的碳化處理。碳材料經不同溫度碳化處理後，會使得非碳的元素揮發，進而促使碳的結晶區域成長以及連結，當整個具有導電的結晶區域一

3、但串聯起來時，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。而其織物結構物，如碳纖維布、碳纖維氈等製品之導電性亦有相同行為表現。特別是在1000ºC至1300ºC之間，其導電性會有劇烈增加趨勢。基材的選擇在製造碳/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（與高品質瀝青相比，高品質瀝青為軍事管制品，取

4、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率（50-55%），對碳/碳複合材料來說碳產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本效益。PAN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構變化。PAN從250℃附近發生的側鏈反應，產生NH3、HCN等，接著環化變成一種梯形聚合物，同時分子間也發生縮合反應。在200℃附近受氧化處理的PAN除了有氫化吡啶環外，另外也由吡啶環、pyrollidone環等含氮的六環碳形成梯狀聚合物，此工程在碳纖維的製程稱為安定化工

5、程。接著由於碳化的持續反應，在600℃時H和O脫離，而含氮芳香族環的開環在500℃附近便開始作用了，最後在800℃達到最大。圖１、PAN系纖維的碳化過程中之結構變化五、實驗方法(1)、裁切大約20cm×20cm的氧化纖維氈(2)、放入高溫爐至1000℃製成碳纖維氈(3)、接著調配5%樹脂+95%甲醇的樹脂溶液，將碳氈含浸至溶液中浸泡30秒(4)、將含浸完的碳氈放入70℃烘箱中，烘乾15min，將甲醇充分揮發掉。(5)、將烘乾完的碳氈放至熱壓機熱壓15min，壓力分別為10kg/cm2及30kg/cm2。(6)、最後放入碳化爐碳

6、化1300℃既可完成。(7)、裁切試片成15cm×15cm六、分析與檢測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，取最後十組數據平均。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，以及對於燃料電池中，濃度極化的影響。3.重量損失分析由於碳材料在升溫的過程中，隨著碳層平面的交鏈及重新排列堆疊，會發生去氫(Dehydrogenation)及去氮(Denitrogenation)反應，伴隨著小分子物如H2O、CO、CO2、CH4、H2等在熱處理過

7、程的揮發，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.片電阻測試儀量測碳電極表面電阻之變化情形。七、問題與討論１、真密度機的原理為何？２、片電阻計的原理為何？３、為何成品需要作四邊裁切?４、為何烘乾需在70℃?５、燃料電池中氣體擴散層的需要條件為何?