一维炭材料一体式气体扩散层的制备及其在直接甲醇燃料电池中的应用（英文）

气体扩散层(GDL)是燃料电池(FCs)膜电极组件(MEA)的重要组成部分,起到支撑催化层、收集电流、对物料进行传输及再分配的作用。传统的扩散层一般以炭纸或炭布为基底,但炭纸价格昂贵、缺乏柔韧性、孔结构单一,为了更好地进行气液相管理,需再涂覆上一层微孔层(MPL)。本文以炭纤维(CF)为骨架,复合多壁碳纳米管(MWCNT),并添加一定量的聚四氟乙烯(PTFE)作为粘结剂和憎水剂,通过减压抽滤成型法一步制成新型一体式气体扩散层(GDL/CNT-CF)。扫描电子显微镜(SEM)结合导电性、气体渗透性及孔隙率等表征表明,一体式扩散层中高导电性的碳纳米管在炭纤维中呈梯度分布,亦利于电子传输,形成的多级孔隙结构,亦利于物料分配,均匀分布的PTFE有助于水分排除,从而取代了由炭纸和微孔层构成的传统扩散层。将其应用于直接甲醇燃料电池(DMFC)的阴极或同时作为阴阳极扩散层时,具有优异的传质性能,单电池的最大功率密度相比商品扩散层分别提高了20%和35%。     

基于专利分析研究质子交换膜氢燃料电池气体扩散层发展态势

分析近年来国内外质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关专利的申请情况，反映目前质子交换膜氢燃料电池气体扩散层产业的发展情况，为质子交换膜氢燃料电池气体扩散层生产技术及研发提供参考。借助Incopat数据库，利用质子交换膜氢燃料电池气体扩散层及含义相似的关键词进行公式检索，对质子交换膜氢燃料电池气体扩散层历年相关专利申请趋势、申请人、技术分布和法律状态等检索结果进行解析。结果表明：我国质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关专利与国外相比，虽然存在专利申请数偏低的问题，但正处于蓬勃发展的时期。我国现有的质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关专利申请的关键核心技术偏少、专利转化率低，有较大的创新和发展空间。针对质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关专利申请存在的问题，应加强质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关生产技术创新，提高质子交换膜氢燃料电池气体扩散层的质量，加大高质量产品的开发投入，提高科技成果转化率，加快质子交换膜氢燃料电池气体扩散层相关企业的专利布局。     

高导电性生物质碳布的制备及其燃料电池气体扩散层性能

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的关键部件之一,成本占燃料电池膜电极的40%～50%。开发低成本、高性能的GDL生产工艺,可以降低燃料电池成本,推动燃料电池商业化进程。本研究以纤维素棉布为原料,通过铁基化合物的催化石墨化作用,在较低温度(1500℃)下生成了一种高导电、高孔隙率的柔性生物质碳布。碳布由相互连接的微米级碳纤维组成,形成了丰富的孔道,其孔隙率为76.93%。经过铁基化合物催化,碳纤维的表面原位生成了大量碳纳米管团簇,增加了碳布的导电性,使其平面电阻率降低至34mΩ·cm,垂直电阻率在2 MPa压力下降低至2.8 mΩ·cm,性能达到商业碳布的标准。生物质碳布作为气体扩散层的燃料电池在0.7 A·cm^-2电流密度处功率密度达到0.4W·cm^-2,超过了相同催化剂(Pt)负载量的商业碳布(0.34W·cm^-2)的电池功率密度。本研究制备的生物质碳布制备简单、价格低廉、性能优秀,为开发低成本、高性能气体扩散层提供了新的思路。     

(NH4)2HPO4浸渍处理对碳布性能与结构的影响

以人造棉布为原料,经(NH4)2HPO4浸渍后炭化、石墨化处理制备柔性的碳布材料。研究了浸渍液对人造棉布炭化历程的影响,以及碳布收率、电阻率、拉伸强度、断裂伸长率的变化规律。结果表明,经过(NH4)2HPO4的浸渍,碳布的炭化收率从11.3%提高到31.3%;电阻率有明显下降,石墨化后碳布的电阻率降为0.068Ω.cm;断裂伸长率为14.7%。同时具有良好的透气性能和一定的强度,可用于燃料电池气体扩散层材料。     

质子交换膜燃料电池关键材料的研究进展EI北大核心CSCD

燃料电池是一种非常有前景的新能源体系。燃料电池不使用热力发动机,利用电极和电解质界面发生的化学反应直接将燃料的化学能转换成电能,反应不受卡诺循环限制,因此,具有高的能量转换效率。在燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)在便携式设备、交通运输以及固定装置领域具有重要的应用前景。然而,目前的PEMFC还存在一些问题,主要包括高成本、功率不足、稳定性差等问题,限制了其大规模商业化应用。这些问题的根本原因在于PEMFC中阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料的成本和性能还不能满足PEMFC商业化的要求。要实现PEMFC的大规模应用,需要开发先进的阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料。针对PEMFC对低成本、高性能先进材料的需求,本文综述了阴极催化剂、气体扩散层、质子交换膜和双极板等关键材料的研究进展以及应用面临的问题,并指出了未来的发展方向:加强铂合金催化剂以及金属-氮-碳(M-N-C)化合物催化剂的规模化制备工艺的探索;制备兼具高质子传导率和优异力学性能的质子交换膜;详细研究改性气体扩散层在不同的工况条件下对PEMFC性能的影响;开发具有优良耐蚀性和导电性的涂层或新型金属材料用于双极板。     

离子导电性中间相的开发及应用

一、前言固体电解质是特定离子在固体中移动的导电体,利用这一特征目前正在气体分离,水电解,食盐电解,离子传感器,湿度传感器,电池,燃料电池等进行多方面用途的开发。尤其是高分子的固体电解质由于重量轻,成型性好已有Nafion(DW pont),     

日本第45届电池研讨会概要

日本第45届电池研讨会于2004年11月27日～29日在京都召开，发表论文330篇。其中锂2次电池160篇，占48％；燃料电池132篇，占40％；镍氢电池15篇；电容器12篇：铅电池8篇，其余3篇。在锂2次电池中，正极69篇：负极、电解液、固体电解质68篇；大型电池、评价、安全性23篇。在燃料电池中，PEFC(固体高分子燃料电池)83篇；DMFC(直接甲醇燃料电池)35篇；SOFE(固体氧化物燃料电池)10篇：MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)4篇。     

扩散层PTFE载量对被动式直接甲醇燃料电池性能的影响

在被动式直接甲醇燃料电池(DMFC)的扩散层中,处理好水、气、电子的通道对电池性能有着十分重要的作用.本研究分别用质量百分比浓度为10%、20%、30%、40%的PTFE乳液进行疏水处理的碳布组装成被动式DMFC以及测试系统.通过稳态电流-电压极化曲线法和交流阻抗法,研究了扩散层中的不同PTFE载量对被动式DMFC电化学性能的影响.研究结果表明,电池开路电压随着阳极扩散层中PTFE载量的增加而上升,电池内阻也随着扩散层中PTFE载量的增加而增加.在阳极,电池性能随着扩散层中PTFE载量的增加而下降,在阴极,用10%PTFE乳液处理的碳布对被动式DMFC性能表现最好.     

酚醛树脂对碳布性能的影响

以磷酸氢二铵改性人造棉为基体材料,酚醛树脂为改性剂,经喷涂、炭化制备燃料电池扩散层材料用碳布。研究了酚醛树脂含量对碳布强度、电阻率、厚度和密度的影响,并通过XRD谱图和SEM图片对碳布进行微观结构分析,探讨了酚醛树脂对碳布强度和电阻率的影响机理。结果表明,酚醛树脂在提高碳布强度的同时降低其电阻率。当酚醛树脂添加量为54%时,碳布强度提高40%,体电阻率降低至0.06Ω·cm。     

甲烷催化裂解制备毛线状炭纤维及其微观结构

以甲烷为碳源，硫酸亚铁为催化剂前驱体，通过化学气相沉积在石墨基板上制得毛线状炭纤维。扫描电子显微镜观察得知所制炭纤维具有毛线状结构，由许多直径更小的子纤维交叉合并而成。单束毛线状炭纤维的直径为4μm-8μm。高分辨透射电子显微镜显示构成纤维的碳层排列不平直，存在偏转角，有序排列的碳层被分割成许多有序微晶区域。进一步采用X射线衍射和激光拉曼光谱等分析手段对其微观结构进行表征，表明毛线状炭纤维中碳层排列有序度较高，石墨微晶尺寸较大（La≈5nm），层间距较小（d002=0．340nm）。推测毛线状炭纤维生长机理符合“吸附-扩散-析出”过程，形成毛线状结构主要由催化剂颗粒直径决定。     

不同晶体取向中间相沥青基带状炭纤维的制备与表征

以中间相沥青为原料, 采用不同长宽比的矩形截面喷丝板, 通过控制熔融纺丝时的收丝速率, 制得了具有不同截面尺寸和晶体取向的高定向中间相沥青基带状炭纤维, 并研究了热处理温度和喷丝孔截面尺寸对所得炭纤维结构和性能的影响。结果表明, 喷丝孔的形状和收丝速度对炭纤维的晶体取向有显著影响。当收丝速度一定时, 随着喷丝孔截面长宽比的减小, 带状炭纤维截面碳晶体层片由褶皱平行取向结构向辐射状垂直取向结构转变。随着热处理温度的升高, 所制得炭纤维的室温轴向电阻率显著减小, 热导率相应增大, 力学性能明显提高; 随着收丝速率的增大, 带状炭纤维室温轴向电阻率变化不大, 但对其力学性能有显著影响。当喷丝孔截面长宽比和纺丝速度分别为30:1和75 m/min 时, 2500℃石墨化纤维的拉伸强度和杨氏模量分别为2.53 GPa和234.77 GPa。     

SiCxOy相分解方式对SiCO(Al)纤维烧结致密化的影响

研究了SiCO(Al)纤维向SiC(Al)纤维的高温转化过程, 并研究了纤维中SiC_xO_y相的分解特征及不同高温处理方式对纤维结构和烧结致密化的影响。结果表明: 纤维中SiC_xO_y相分解的温度范围为1430~1850℃, 当采用连续处理方式处理, 即使在1800℃下, 纤维芯部SiC_xO_y相未能彻底分解, 且快速分解速率导致纤维中形成粗大结晶颗粒和气孔, 无法得到致密的高结晶结构。而在静态条件下处理, 可以提高SiC_xO_y相分解程度。1650℃下保温处理1 h后可以完全脱除SiC_xO_y相, 同时保持晶粒均匀。再经过1900℃烧结, 即可制得呈致密高结晶结构SiC(Al)纤维。     

Process and mechanical properties of carbon/carbon–silicon carbide composite reinforced with carbon nanotubes grown in situ

A hierarchical C_f/C–SiC composite was fabricated via in situ growth of carbon nanotubes (CNTs) on fiber cloths following polymer impregnation and pyrolysis process. The effects of CNTs grown in situ on mechanical properties of the composite, such as flexural strength, fracture toughness, crack propagation behavior and interfacial bonding strength, were evaluated. Fiber push-out test showed that the interfacial bonding strength between fiber and matrix was enhanced by CNTs grown in situ. The propagation of cracks into and in fiber bundles was impeded, which results in decreased crack density and a “pull-out of fiber bundle” failure mode. The flexural strength was increased while the fracture toughness was not improved significantly due to the decreased crack density and few interfacial debonding between fiber and matrix, although the local toughness can be improved by the pull-out of CNTs.     

纤维堆积体厚度方向浸渗特性

使用自行设计的夹具对纯树脂沿纤维织物厚度方向的毛细浸渗行为进行了初步研究。通过改变温度、纤维体积分数、纤维类型以及铺层方式,研究了树脂对纤维织物的毛细浸渗规律,并研究了纤维表面浸润剂的影响。结果表明:升高温度和减小纤维含量均有利于提高浸渗速率;而铺层方式的改变对浸渗规律的影响甚小。      

碳素纤维发热元件电热性能的研究

为了提高碳素发热元件的电热性能,测试了不同工艺碳素纤维发热元件的电热温升和热惯性,针对碳素纤维发热元件的结构特性,建立了其传热方程并进行求解.结果表明:无芯碳素纤维发热元件在相同表面负荷范围内的电热温升约高出支撑芯元件20℃以上,而股线无芯元件的瞬时温升约高出支撑元件60℃以上;惰性气氛下对碳素纤维进行瞬时高温除杂,所得元件电热温升和120s时瞬时温升约高出其他元件10℃以上;采用5%和30%两种定型胶质量浓度所得元件的电热温升差约40℃左右、140s时瞬时温升差约60℃左右,较高质量浓度的定型胶可提高元件电热温升、减小热惯性.碳素纤维的发射率是影响元件电热性能的重要指标,提高发射率可获得电热温升高、热惯性小的碳素发热元件.     

先驱体浸渍裂解C/SiCN复合材料的拉伸行为与基体开裂机制

采用先驱体浸渍裂解法制备陶瓷基复合材料过程中会形成基体裂纹和孔隙, 基体开裂和裂纹演化机制是工艺设计和性能优化的依据。本研究采用真空旋转浸渍-裂解法制备了无界面相的纤维束C/SiCN复合材料, 分析了该材料的拉伸性能和基体裂纹增殖现象, 讨论了浸渍裂解次数和热处理温度对基体裂纹的影响规律。研究结果表明: 当热处理温度为1000~1400 ℃时, 该复合材料的化学组成变化较小; 热处理温度达到1600 ℃时, 先驱体转化的SiCN基体分解, C含量降低, SiC含量升高。随浸渍裂解次数由1次增加到4次, 该复合材料的平均拉伸强度分别提升14.19%、38.83%和63.47%, 同时基体裂纹间距和裂纹开口距离均逐渐减小, 基体纤维结合增强, 断口纤维拔出减少。热处理温度从1000 ℃升高到1400 ℃, C/SiCN拉伸强度缓慢增大; 热处理温度为1600 ℃时, SiCN基体由无定形的SiC_xN_4-x四面体向SiC晶体转变, 基体与纤维脱粘, 二者结合强度降低, 同时基体体积收缩使C纤维损伤, 导致该复合材料拉伸强度陡然下降30.0%。     

Simultaneous Measurements of Thermal Properties of Individual Carbon Fibers

Combining the steady-state and quasi-steady-state T type probes, the longitudinal thermal conductivity and thermal effusivity of individual mesophase pitch-based carbon fiber heat treated at 2800 °C and 1000 °C have been measured from 100 K to 300 K. The present method allows simultaneous measurements of thermal properties using the same instrument, by simply changing the applied direct current to alternating current. The specific heat is found to decrease with increasing heat-treatment temperature and to approach the value of graphite. The highly graphitized carbon fiber has a maximum thermal conductivity of 410 W · m⁻¹ · K⁻¹ at about 250 K, and its thermal diffusivity decreases with increasing temperature. Comparatively, the thermal conductivity of the fiber heat treated at 1000 °C is much smaller, with the peak shifting to high temperature due to a large defect density, and its thermal diffusivity is nearly temperature independent.     

热处理制度对CaO-A1_2O_3-SiO_2系微晶玻璃性能的影响

采用正交实验法探讨了CaO-A1_2O_3-SiO_2系微晶玻璃的热处理工艺,通过分析各热处理工艺参数对微晶玻璃烧结体积密度、抗折强度、耐酸性和耐碱性的影响,找出了其最佳热处理工艺参数,并采用XRD和SEM分析了热处理后微晶玻璃的物相和形貌.结果表明,随核化时间的延长,微晶玻璃试样的抗折强度、体积密度和晶相含量逐渐增大;随核化温度的升高,微晶玻璃的耐腐蚀性逐渐增强.影响抗折强度、体积密度的主要因素是核化时间,影响耐酸、耐碱性的主要因素是核化温度.     

Effect of carbonization temperature on the basic properties of woodceramics made from carbonized bamboo fiber and liquefied wood

In this paper, a new woodceramics from carbonized bamboo fiber and liquefied wood was developed and the effects of carbonization temperature on the dimension shrinkage, weight loss, density, compressive strength, and volume electrical resistivity of the woodceramics were investigated. The results show that, with the increase in the carbonization temperature, liquefied wood decompose and then combine with carbonized bamboo fiber, the dimension of sample almost keep constant, but its compressive strength was improved, and its electrical resistivity was reduced.     

A study on the DC electrical properties of PAN-based carbon fiber/polycarbonate composites

The DC conductivity and Hall effect studies were used to investigate the nature, type, and development of the charge carriers in conductive polymer composite containing PAN-based carbon fibers of different concentration. The dependence of the electrical conductivity on temperature is characterized by a two-stage electrical conduction process with a semiconducting type of behavior and two activation energies. It was found the measured Hall voltage varies linearly with Hall current with two different signs of slopes. This suggests that a composite of low fiber content is functioning as p-type material, and then changes to n-type with increasing the carbon fiber content more than 15 wt.%. The density of the charge carriers increases with carbon fiber content in a behavior similar to the electrical conductivity for all given composites, showing a percolation phenomenon. The calculated charge carriers density includes both the magnetostatic arising from the polycarbonate matrix and from the free charge carriers themselves. Considering the filled carbon fibers as a random semiconducting material, the results obtained for various composites were described in terms of the band structure model. Other approach of results analysis was based on the composite bulk morphology observed by the SEM microscopy.