燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的研制

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1、摘要燃料电池气体扩散层用碳纤维纸的研制摘要质子交换膜燃料电池(PEMFC)是目前最有发展前景的清洁能源，是目前世界上研究热度最高的燃料电池。气体扩散层是质子交换膜燃料电池中的重要组件，起到支撑催化剂层，提供反应气体、生成水的重要传质通道，同时还要起到传输电能的作用。高性能碳纤维纸是目前应用最广泛的气体扩散层基底材料，国外已经实现商业化生产，而我国尚没有实现。碳纤维纸的发展已经成为制约我国自主开发质子交换膜燃料电池的障碍之一，我国急需生产出具有自主知识产权的高性能碳纤维纸，以满足制造燃料电池的需求。本文针对这一问题，采用国产碳纤维毡片为原料，制备高性能的气体扩散层用碳纤维纸。通过研究确定了制备

2、碳纤维纸的各项工艺条件对碳纤维纸结构与性能的影响，开发了直接浸渍树脂．碳化、预处理后浸渍树脂．碳化、纳米管改性碳纤维纸三种制备工艺路线；详细论述了各个工艺方法的优缺点，确定预处理后浸渍树脂．碳化工艺是制备碳纤维纸的最佳工艺方法，并确定该工艺方法中各项最佳的工艺参数，为连续化生产提供了宝贵的数据。利用分形维数的方法表征了碳纤维纸的微观结构，为碳纤维纸进一步的改进提供依据。具体的研究成果如下：通过实验研究得出碳纤维纸中短切碳纤维同树脂碳的最佳体积北京化工大学硕士学位论文比为l：0．7；模压工艺参数为：模压压力1．3MPa；模压温度140．170℃；固化时间20一30min；确定预处理后浸渍树脂．

3、碳化工艺为制各碳纤维纸的最佳工艺。所得碳纤维纸的性能：厚度O．30mm，密度O．42∥cm3，孔隙率77％，透气率2800InL·伽川cm2·hr．删从q)，拉伸强度18MPa；对碳纳米管进行表面处理，处理液为浓H2S04与浓HN04混合液，混合比为3：l。经表露处理后的碳纳米管在酚醛树脂乙醇溶液中分散良好。利用经表面处理后碳纳米管改性的碳纤维纸的性能：厚度O．30锄n，密度O．42g／cm3，孔隙率77％，透气率2400棚已．擞斑以e毯2·hp黝羹Aq)，拉伸强度13黼Pa；采用分形维数的方法对碳纤维纸进行表征。自制碳纤维纸和日本T0ray公司生产的碳纤维纸的分形维数比较结果表明，自制碳纤

4、维纸的分形维数同To娜生产的碳纤维纸差别不大，孔隙部分的分形维数稍高。关键词：质子交换膜燃料电池，气体扩散层，碳纤维纸，碳纳米管，分形维数Ⅱ摘要THERESEARCHoFCARBoNFIBERPAPERUSEDFoRGASDIFFUSIoNLAYERINFUELCELLABSTRACTProtonexchallgenleInbrane如elcell(PEMFC)ismepotentialcleanene略yinf．uture，andithasbecomethefocusin如elceUfield．G弱di肋sionlayer(GDL)isaVe巧iInportaIltcomponentinP

5、EMFC，whichbacl(supthecatalyst1aycIr’proVidespassageforreactantgasandwatergenerated丘。om如elcell，a11dtrallsmitselectricalene玛yCarbonfiberpaperiswidelyusedasGDLsubstrate．SomeforeigncompaIliestlaveproducedcarbonfiberp印erwithhighpe墒rmancesforcommerCialuse．Althoughourcount巧canproducecarbon舳erp印er'itsperfI

6、omancesarenotgoodenou曲touseinPEMFC．Carbon肋erpaperhasbeconleoneoftheobstaclesforPEMFCdeVelopment．Thisp印erhasdevelopedm℃ewaystoproducecarbon肋erp印erbycarbonfiberfeltmadeinourcoullt巧forsolVingthisproblem．The锕o-dippingprocessismebestwaytoproducecarbon助erpaper，whichproVedbymanye)【periments，anditsprocessp

7、猢etersineve巧st印havebeenconfinnedemer．Forresearchingmemicrostmctureofcarbon肋erpaper，thispaperusedn．actaldimensiontoillustratethemicrostnlctllreconstmctedbyshort—cutcarbonfiber’resincarbonandm北京化工大学硕士学位论文pore