质子交换膜燃料电池用扩散层电极材料的研究

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1、质子交换膜燃料电池用扩散层电极材料的研究摘要摘要随着人们对节约能源和保护环境意识的增强，质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，简称PEMFC)被广泛地认为是21世纪最理想的氢能源和环保型电源。／它具有高的功率密度、高的能量转换效率、低温启动、无污染、体积轻巧等诸多优点，最有可能成为零排放电动汽车的电源。作为PEMFC重要组成材料的扩散层电极材料，在电极中不仅起着支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能。不同的扩散层材料对于电极的结构、制作工艺和性能有很大的影响，选用高性能的扩散层材料有利于改

2、善电极的综合性能。常用的扩散层电极材料有碳纤维纸(又简称碳纸)、碳纤维编织布(又简称碳布)、非织造布及碳黑纸等。碳纸作为一种最常用的扩散层电极材料，我国在这方面的研究很少，目前国内的PEMFC研究单位基本上都是使用进口的碳纸，由于进口碳纸经过高温炭化处理，成本很高，并且这种碳纸脆性大，缺乏柔性，不利于电极的制作。7为了配合我国质子交换膜燃料电池的产业化，本文首次研究开发了一种高性能、低成本，用于PEMFC扩散层电极材料的柔性碳纸。它不但有效地解决了传统碳纸脆性的缺点，而且省略了高温炭化工艺，从而降低了成本。本文设计了一条包括对碳纤维纸基底材料进行喷涂、烧结和模压等工序的工艺路线来制各柔

3、性碳纸样品，并且对制得的样品进行了显微结构及性能的测试和表征，通过研究几个主要的工艺参数对加工工艺、显微结构和性能的影响，获得了制备高性价比柔性碳纸的最佳工艺条件。／主要研究结果如下：。71、通过使用导电炭黑SL一36与胶体石墨粉(质量配比1／3)采用二层喷涂方案对基底材料进行喷涂；选择烧结工艺条件为360℃下保温约30min，模压工艺条件为压力8～lOMpa，温度130～135℃，保温时间约30min可以实现节约能源、提高工作效率和获得最佳加工效果。2、分析柔性碳纸的显微结构，可以看到炭粉粒子和PTFE在表面和矮子交接骥燃辩毫遗震扩数鼷觳投毒

4、辩豹研究攘要厚度方向上的均匀分布状态，其

5、中PTFE是以熔膜的形式存在；黎性碳纸魏径大小受到炭粉填充量积p零怒含量昀影晦，势晨PTFE的影响比炭粉的影响更为明显；孔径分布图一般都表现出两个分布峰，分别对应一次孔和二次孔的分布，其中二次孔的大小及其分布受到加工技零熬影璃较大。3、随着炭粉填充邀的增加，柔性碳纸的孔隙度降低、导电性能提高、透气性能降低；随着PTFE含量的增加，柔性碳纸的孔隙度降低、警电性能降低、撬张强度提嘉、透气性麓降低、憎水蛙熊提高。认必柔性碳纸中炭粉填充量控制在l，5,--,2．5rag／era2、PTFE含量控制在30％～40％时可以得到最佳性能的加工效果；4、本文还对柔性碳纸懿综合性能进行了评价，结果表瞻柔

6、性碳纸豹综合性能非常接近使用炭化工艺捌备的E＆J碳纸(上海依极科技有限公司研制)和进口碳纸，可以满足PEIdFC的应用要求，并鼠具备较高的性能／价格眈。厂≯／关键词；质子交换膜燃料电池@E娅e爹扩散层电极材料碳纸浆性碳纸堕王奎垫壁燮整皇垫旦芝墼星皇堡塑型塑堑壅塑兰StudyongasdiffusionlayerforprotonexchangemembranefuelcellelectrodesAbstractWiththedevelopmentofsociety,moreandmorepeoplearewakinguptosaveenergyandprotecttheenvironm

7、entofthehumankind．Protonexchangemembranefuelcell(PEMFC)hasmanyadvantages，SOthatitiswidelyconsideredas21吼centuryhydrogenenergyandtheperfectpowersourceforthezero—emissionelectricvehicles．Gasdiffusionlayer,asanimportantelectrodematerialinPEMFC，hasmanyfunctions，suchassuppogsthecatalystlayer,stabiliz

8、estheelectrodestructure，diffusesthegas，andSOon．Differentgasdiffusionlayerwillinfluencethestructure，fabricationandperformanceofPEMFCelectrodes．Thecommongasdiffusionlayermaterialsincludecarbonfiberpaper(ornamedcarbonpaper)，car