用于质子交换膜燃料电池的柔性石墨双极板

易金矿业网 2023-03-03 12:14 编辑:admin 286阅读

一、用于质子交换膜燃料电池的柔性石墨双极板

(清华大学材料科学与工程系 先进材料教育部重点实验室,北京 100083)

一、内容简介

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,以下简称PEMFC)能够等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能,它不受卡诺循环限制,能量转化率高(40%~60%),并且清洁、无污染(产物主要是水),被认为是21世纪首选的高效、洁净的供电系统。双极板作为PEMFC电池堆中单电池的连接组件,主要起着隔绝电池间气体串通、分布燃料与氧化剂、支撑膜电极和串联单电池形成电子回路的作用。

目前开发的双极板材料主要有金属类和碳材料类。表面改性的金属双极板,其优点是可制成薄板(如0.1~0.5mm),并可采用冲压冲剪等机械化生产方法加工孔道与流场,有利于降低双极板成本,但金属板的腐蚀问题一直没有得到很好的解决。目前实际应用的是利用人造石墨制造的双极板,用这类材料制作的双极板导电及耐腐蚀性很好,但由于双极板对气密性的要求,制造过程中需要经过多次的树脂浸渍、碳化、石墨化以及后续的流场加工等生产工艺,因此制作程序复杂,成本很高,成为制约燃料电池应用的一个重要因素。

在实验室将天然鳞片石墨经化学或电化学处理形成可膨胀石墨,将可膨胀石墨膨化后得到蠕虫状的物质,并将膨化后的石墨“蠕虫”模压成一定密度、表面光洁度良好的板状材料――柔性石墨板生产流程见图1。由于膨化过程从鳞片石墨中基本清除了所有非天然化学成分,模压或轧制仅仅是膨胀石墨的机械结合,因此最终的柔性石墨板基本上是纯石墨,它具有天然石墨所具有的热稳定性强、导电导热性能好、耐腐蚀、不透气性能好等优点。同时,经过一次成型的柔性石墨双极板可以直接制造出表面的流场,因此,其成本大大降低。

图1 柔性石墨板生产流程图

经实验室验证,柔性石墨双极板的强度可以达到30MPa;氦渗透率为(0.4~0.9)× 10-6μm2,电导率达到1.1×105S/m,热导率达到129 W/(m・K),均优于目前使用的人造石墨双极板。

二、推广应用

经过实际测试,利用柔性石墨双极板和人造石墨双极板组装的电池,其性能基本相同,而前者的成本仅为人造石墨双极板的1/20~1/10。

三、鉴定、获奖、专利情况

2004年12月由科技部组织专家验收。

二、膨胀石墨/石墨蠕虫,为什么又称为柔性石墨

通过飞秒检测发现作为一种新型功能性碳素材料,膨胀石墨(Expanded Graphite,简称EG)是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。EG 除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外,还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。早在19世纪60年代初,Brodie将天然石墨与硫酸和硝酸等化学试剂作用后加热,发现了膨胀石墨,然而其应用则在百年之后才开始。墨晶体是两向大分子层状结构,每一平面内的C原子都以C一C共价键相结合,层与层之间以较弱的范德华力相结合。石墨的层状结构十分典型,每一层片是一个碳原子层,层内碳原子之间以sp2杂化轨道成很强的共价键,即1个2s电子和2个2p电子杂化等价的杂化轨道,位于同一平面上,互相形成σ键,而二个未参加杂化的2P电子则垂直于平面,形成二键π。石墨的这种层状结构使得层间存在一定的空隙。因此在一定条件下,某些反应物(如酸、碱、卤素)的原子(或单个分子)即可进入层间空隙,并与碳网平面形成层间化合物。这种插有层间化合物的石墨即为可膨胀石墨。碳原子层间以很弱的范德华力相联系,这种结构允许插层物质能够顺利地进入碳原层间而不破坏碳原子层内的六角网状结构,因此天然石墨是制备石墨插层化合物最好的母体材料。可膨胀石墨是一种利用物理或化学的方法使非碳质反应物插入石墨层间,与炭素的六角网络平面结合的同时又保持了石墨层状结构的晶体化合物。它不仅保持石墨优异的理化性质,而且由于插入物质与石墨层的相互作用而呈现出原有石墨及插层物质不具备的新性能。插有层间化合物的石墨在遇到高温时,层间化合物将分解,产生一种沿石墨层间C轴方向的推力,这个推力远大于石墨粒子的层间结合力,在这个推力的作用下石墨层间被推开,从而使石墨粒子沿C轴方向高倍地膨胀,形成蠕虫状的膨胀石墨l2]。石墨层与层之间可“嵌”入化学物质而具有可膨胀性。如可采用硫酸处理石墨,干燥后石墨在高温下膨胀,这是由于硫酸分子“嵌”入石墨层所致。

三、膨胀石墨 膨化石墨的区别?

膨胀石墨指的是天然的鳞片石墨经过酸洗后做插化处理,就是咱们所说的蠕虫石墨,膨化石墨我也不知道,呵呵

四、可膨胀石墨的介绍

石墨晶体具有由碳元素组成的六角网平面层状结构。层平面上的碳原子以强有力的共价键结合,而层与层间以范德华力结合,结合非常弱,而且层间距离较大。因此,在适当的条件下,酸、碱金属、盐类等多种化学物质可插入石墨层间,并与碳原子结合形成新的化学相——石墨层间化合物(Graphite Intercalation on Compounds,简称 GIC)。这种层间化合物在加热到适当温度时,可瞬间迅速分解,产生大量气体,使石墨沿轴方向膨胀成蠕虫状的新物质,即膨胀石墨。这种未膨胀的石墨层间化合物就是可膨胀石墨。

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