氢燃料电池用碳纤维纸的工艺优化及性能
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东华大学 材料科学与工程学院 & 纤维材料改性国家重点实验室,上海 201620

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国家重点研发计划(2023YFB3711501)


Optimization of Manufacturing Process and Performance of Carbon Papers for Proton Exchange Membrane Fuel Cell
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    摘要:

    质子交换膜燃料电池(PEMFCs)被认为是新能源动力终极解决方案。气体扩散层(GDL)是PEMFC中的关键组件,起到导电、传热、透气、排水的作用。碳纤维纸是目前GDL首选的商业化材料。以湿法成型为基础,研究分散剂种类、碳纤维长径比、树脂浸渍和碳化石墨化工艺对碳纤维纸结构与性能的影响规律。结果表明,聚氧化乙烯(PEO)与羟甲基纤维素(HMC)复配为最佳的分散剂体系。6 mm和3 mm短切碳纤维的最佳配比为80%和20%。采用真空浸渍法浸渍酚醛树脂能显著提升碳纤维纸的树脂碳残留量及导电性。碳化石墨化温度的提高有利于碳纤维纸的孔隙率和导电性增加,当热处理温度为2400 ℃时,碳纤维纸的孔隙率为82.5%,电阻率为8.1 mΩ·cm,拉伸强度为29.8 MPa。

    Abstract:

    Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are considered the ultimate solution for new energy power. The gas diffusion layer (GDL) is a key component in PEMFC, serving as electrical conductivity, heat transmission, gas permeability and drainage. Carbon papers (CPs) are currently the preferred commercial material for GDL. Based on wet papermaking, the effect of dispersant, carbon fibers, resin, carbonization and graphitization on the structure and properties of CPs were investigated. The results show that the combination of polyethylene oxide (PEO) and hydroxymethyl cellulose (HMC) is the optimal dispersant system. The best ratio of 6 mm and 3 mm chopped carbon fibers is 80% and 20%, respectively. The vacuum impregnation with phenolic resin can significantly enhance the resin-carbon retention and electrical conductivity of CPs. The increase of carbonization/graphitization temperature is beneficial to the increase of porosity and electrical conductivity of CPs. When the graphitization temperature is 2400 ℃, the porosity of CPs can reach 82.5%, the resistivity is 8.1 mΩ·cm, and the tensile strength is 29.8 MPa.

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  • 收稿日期:2024-04-04
  • 录用日期:2024-06-13
  • 网络出版日期:2024-10-15
  • 在线发布日期: 2024-12-04
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