关键词：双极板；石墨复合材料；酚醛树脂；压模法；单燃料电池；I－V性能

摘要：本文研究了用压模法制造的用于燃料电池双极板的石墨/酚醛树脂复合材料。分析了不同含量的树脂和不同粒径石墨粉体制备的复合物在孔积率、密度，弯曲强度，及电阻的区别。双极板复合物在高速碾磨下压入凹槽中装配入燃料电池内。此外本文还讨论了单燃料电池的I-V性能。

实验结果显示，使用的树脂含量越大，复合材料的孔积率越小，电阻越大，弯曲强度越高。石墨/树脂复合物在高速研磨下显示了较好的机械强度。最终，用含有25－30％酚醛树脂的双极板复合物制造的单燃料电池，显示出了较好的I-V性能。

前言

燃料电池双极板具有分布燃气和水，分离电流和水等功能。双极板上设计了多种流动渠道具有其专用目的。此外，双极板还显著影响了燃料电池的功率，造价，重量及容积。一般来说，双极板用石墨制造。石墨具有好的抗腐蚀能力和低反应性能，但较厚且脆，造价高^[1-2]。然而，用石墨复合物则具有重量轻，价格低，易于制造，及高抗腐蚀能力等优点，但导电能力较弱。近来关于双极板石墨复合物的文献^[3-8]中介绍了一些应用及传统方面的信息。在此工作中，我们介绍了压模法及双极板石墨/酚醛树脂复合物的特征，报道了拥有单蛇形流动渠道单燃料电池的性能。

实验步骤

复合材料：石墨/酚醛树脂比分别为80/20,75/25,70/30及65/35；用压模法处理以供实验研究。石墨粉体粒径为100，300，1200目。每种复合物粉体在旋转计中混合一小时。混合物在120-160℃下热压40min于金属模具中。压模压力为500kgf/cm²，压模过程中产生的反应气适度排出。然后，尺寸为40×10×4mm或80×80×4的样品在180度下预热3h以增强其性能。

复合材料的密度及孔积率用Archimedes’法测量。复合物的微结构用光学显微镜及SEM检测。复合物的弯曲强度用三点弯曲法测量。弯曲强度测试后的破裂面用SEM测量以评估酚醛树脂结构和石墨的分布情况。此外，复合物的电阻率用四点探测法检测。

燃料电池上用于复合材料板的流动渠道用直径为0.8mm的高速碾磨机压片。切割条件为轴速40000rpm，切割深度为0.85mm，进料速度为100-500 mm/min。槽的机械表面用SEM检测其结构及形态。

石墨/酚醛树脂复合物板装配到单质子交换膜燃料电池上的MEA上。复合物的流动渠深0.85mm，宽0.85mm ，余宽为0.85mm，多余的空间与有效空间比为0.5。MEA的反应区面积为50×54.8mm²。测量单燃料电池的I-V和I-P性能以评价石墨/酚醛树脂复合物的性能。Arbin 仪器（BT2000）用来测量单燃料电池的性能。电池的温度设定为60℃。 O₂和H₂的入口湿度分别设定为40℃和55℃。燃料流速设定为750sccm。压力为常压。

结果与讨论

复合材料特征

含有石墨粉末粒径为100，300，1200目及酚醛树脂含量为20，25，30％的复合材料在压模压力为500kgf/cm²时的平均孔积率见图1。从图中可以看出随着石墨粉体粒径的增加及树脂含量的降低复合材料的孔积率逐渐增加。这归因于压模过程中的低流动性。此外，获得以上孔积率复合物的平均密度为1.49-1.51g/cm³，可以减少复合物的重量。图2(a)-(b)分别示出了四个不同含量的树脂的SEM相结构。含有20%树脂的复合物孔形态显示出无规则性，孔径分布在100-150μm。这表明树脂含量较低导致复合物的流动性较差。当复合物含有树脂量为25%时，孔较明显，独立孔大小为80-100μm。随着复合物树脂含量的增加，可获得更小的孔及更独立的圆形形状。这表明此时该复合物具有更好的流动性及更低的孔积率。

图1复合材料的平均孔积率

图2含有石墨粉末粒径为300目及酚醛树脂含量(a1)和(a2)20%，(b1)和(b2)25%，(c1)和(c2)30%，(d1)和(d2)35%的微孔结构

图3为用不同含量树脂和粒径为100，300，1200目石墨制备的复合物的平均弯曲强度。含有300目石墨和树脂含量为35%的复合物具有最大的弯曲强度，300目石墨和树脂含量为30%的复合物次之。这可能是因为石墨粉体粒径较小孔积率越大，或者是复合物中石墨粉末较大时酚醛树脂和石墨粉末接触面较小，导致复合物的弯曲强度变低。具有中等粒度石墨及相对较大含量树脂的复合物显示出较好的粘接强度。此外，含有20，25，30和35%酚醛树脂和石墨粒径为300目的复合物的断裂面分别见图4(a)-(b)。树脂含量为20%时，图4(a)的表面结构显示更少的树脂粉末附在石墨表面及一些孔，因此其粘接强度最小。随着复合物上酚醛树脂含量的增加，表面构型显示出石墨粉末与小孔之间有更大的粘接面，这导致复合材料产生了更高的粘接强度。

图3 复合物的平均弯曲强度

图4含有石墨粉末粒径为300目及酚醛树脂含量(a1)和(a2)20%，(b1)和(b2)25%，(c1)和(c2)30%，(d1)和(d2)35%的表面特征

酚醛树脂含量为20，25，30和35%及300目石墨组成的复合材料的平均电阻见图5。由图中看出随着酚醛树脂含量的增加复合物的电阻增大。这主要是由于酚醛树脂的电阻较大造成的。

图5 复合物的平均电阻

为了考察石墨/酚醛树脂复合材料的机械性能，使用高速碾磨来切割双极板的凹槽。图6(a)-(e)分别为30%酚醛树脂/墨粉复合物在进料速度为100-500mm/min时凹槽底部的形态。可以看出进料速度为100mm/min时凹槽的表面形态相对较光滑且孔边缘较完整。当进料速度为200mm/min时，切削加工过程中，孔边缘环境开始产生一些裂缝。在进料速度为300mm/min时，底部表面孔边缘的裂缝变大。进料速度为500mm/min时，底部孔表面产生裂缝并开始剥离。故在切削加工过程中供料速度越大，底部表面产生的裂缝及剥落越多。在切削过程中推荐的操作速度在300mm/min以下，这将减少复合物表面大量剥落。

图6供料速度为(a)100，(b)200，(c)300，(d)400和(e)500mm/min复合物流动渠道的表面外观

单燃料电池的性能。

含有20，25，30和35%的酚醛树脂及300目石墨粉末的复合物压模至板内，此后进料速度在300mm/min以下使用高速碾磨将复合物压片入凹槽内。有效面积为50×54.8mm²，单燃料电池凹槽宽0.85mm深0.85mm 压片过程为5min。图7表明但蛇状流动渠道的双极板具有较好的表面形状。图8为用酚醛树脂/石墨复合物装配的单燃料电池及与其对比的石墨双极板。图9(a)和(b)分布为它们的I-V和I-P性能。可以看出含酚醛树脂为20或35%的燃料电池随着电流的降低他们的电压快速增加，这归因于活化极化的损耗和欧姆极化的损耗。这种情况可能是分别由于更多的孔和更高的电阻造成的。然而酚醛树脂含量为25-30%复合板的燃料电池的I-V性能显示出在电流在0.35A/cm²以下其电压比 石墨板大。这可能是由于活性有效面积更大，使得MEA激活更快。故单燃料电池的石墨/树脂复合物双极板当产生电流密度近似为0.35A/cm²时，电压大约为0.6V。在将来，需要进一步的工作来考察应用于复合材料的涂料来改进电导率及接触电阻以获得具有更好性能的燃料电池。

图7 具有单蛇状流动渠道复合物制备的双极板

图8 具有双极板复合物的单燃料电池

图9 具有复合物双极板的单燃料电池的(a)I-V和(b)I-P性能

结论

基于以上工作，可获得以下结论

（1） 酚醛树脂含量越大，获得的复合物孔率越小，电阻越大，弯曲强度越高。

（2） 复合物中含有的石墨粒径越大，孔率和电阻越小。此外，含有中等粒径300目石墨的复合物可获得较好的弯曲强度。

（3） 石墨/树脂复合物有更高的弯曲强度及更低的孔积率，在高速碾磨过程中可以产生较好具有较好质量表面的凹槽。当碾磨速度更高时，凹槽表面上的孔会产生剥落。

（4） 石墨/酚醛树脂复合物双极板制造的燃料电池比石墨双极板更轻更容易成型，但电阻较大。

（5） 石墨/树脂复合物双极板含有25-30%酚醛树脂制造的单燃料电池具有相对较好的性能。电流为0.35A/cm²时电压为0.6V。

参考文献