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直接甲醇燃料動力電池雙極板的研究進展

鉅大LARGE  |  點擊量:201次  |  2020年05月28日  

摘要
摘要:作為直接甲醇燃料電池的關鍵部件之一,雙極板主要起分配燃料和收集電流的作用,其直接影響燃料電池的性能和成本。介紹了目前國內外雙極板的研究現狀及進展。關鍵詞:直接甲醇燃料電池:雙極板;材料;流場

摘要:作為直接甲醇燃料動力電池的關鍵部件之一,雙極板重要起分配燃料和收集電流的用途,其直接影響燃料動力電池的性能和成本。介紹了目前國內外雙極板的研究現狀及進展。關鍵詞:直接甲醇燃料動力電池:雙極板;材料;流場


l引言近幾十年來.社會經濟發展與能源短缺、環境污染之間的矛盾日益突出。直接甲醇燃料動力電池能量轉換效率高、污染小,在未來的能源供給中有著很好的應用前景。目前,一些技術問題阻礙其商業化進程。作為關鍵部件,雙極板的研究顯得至關重要。


2直接甲醇燃料動力電池的基本原理直接甲醇燃料動力電池的工作原理如圖1所示.甲醇水溶液經陽極反應,出現的質子通過全氟磺酸膜遷移到陰極,電子通過外電路傳遞到陰極,二氧化碳在酸性電解質幫助下從陽極出口排出。在氫氧質子交換膜燃料動力電池和直接甲醇燃料動力電池的陰極區,所發生的反應都是氧氣或空氣經陰極流場板均勻分配后,通過陰極擴散層擴散并進入陰極催化層中(即陰極電化學活性反應區域),在電催化劑的用途下,與從陽極遷移過來的質子發生電化學還原反應生成水,并隨反應尾氣從陰極出口排出。


其電極反應如下:陽極反應:CH30H+H20→C02+6H++6e-陰極反應:3/202+6H++6e-→3H20整體反應:CH30H+3/202→C02+2H20


3DMFC雙極板的功能要求雙極板一般占據電堆重量的70%-80%,占據生產成本約60%,其應具備的重要功能有:完全隔離并均勻分配電池中的燃料和氧化劑;良好的導電性,能收集并傳導電流;良好的熱導性,能有效的冷卻電池組;傳輸生成水、濕氣;實現電池組中的單電池的連接。目前雙極板材料、流場結構,尤其是加工成本都存在許多急需解決的技術問題。


4雙極板材料及制備工藝雙極板材料應具有良好的導電性和化學穩定性,以及高機械強度和低滲透性。目前廣泛使用的雙極板材料有石墨材料、金屬材料和復合材料等。4.1石墨材料石墨材料具有優良的電導性和熱導性、較好的耐腐蝕性和熱膨脹系數低等優點。傳統的石墨雙極板的制備一般采用石墨粉、粉碎的焦碳和可石墨化的樹脂或瀝青混合,經過嚴格的升溫程序得到無孔石墨板,再通過機械加工或者電腦刻繪溝槽以得到流場。但石墨材料的脆性造成了相當大的加工難度,限制了整個雙極板厚度的降低,一般厚度不小于3mm,并且制備工藝復雜、耗時、費用高,在制造過程中容易出現氣泡,使燃料和氧化劑相互滲透,從而降低了燃料動力電池性能,難以實現批量生產。美國橡樹嶺(oakridge)國家實驗室采用低成本泥漿模塑法制備片狀石墨纖維預塑件,然后用化學氣相滲透碳密封,得到氣密性優良的雙極板,并且有較高的電導率(200~300s/cm),同時密度小,質量輕,雙軸彎曲強度為(175±26)Mpa,電池檢測表明電池阻力小,效率高。4.2金屬材料金屬材料導電性能優異、導熱性能好、機械強度高、氣密性好且易于加工。鋁、鈦、鎳、不銹鋼等都是制造雙極板的金屬材料。增強抗腐蝕能力和減小接觸電阻是金屬材料要解決的兩大難題。由于燃料動力電池工作環境呈弱酸性,金屬很容易被腐蝕或溶解,尤其是金屬板被溶解后出現的金屬離子就會擴散到質子交換膜,新增了雙極板的電阻,甚至使得膜電極“中毒”.從而導致電池失效。若直接采用耐腐蝕的金屬或合金(如鈦、不銹鋼等),雖然抗腐蝕性增強,但其表面生成的鈍化層為電絕緣體,這使得極板的接觸電阻增大。對金屬進行表面改性處理,比較有效的解決方法是在金屬雙極板的表面覆蓋一層防護層。該防護層必須抗氧化、耐腐蝕、導電性能較好。防護層分為兩類:一類是金屬,如貴金屬、金屬碳化物、金屬氧化物;另一類是以碳為主體的材料,如石墨、導電性聚合物。目前,金屬板的表面改性重要有以下幾種方法:電鍍或化學鍍貴金屬(如鉑、銀)或其氧化物具有良好的導電性能的金屬(如銀、鉛、錫等);磁控濺射貴金屬(如鉑、銀)和導電化合物(如TiN等);采用絲網印刷和焙燒,即類似用于氯堿工業RuOx/Ti陽極制備方法.制備導電復合氧化物涂層。大連海事大學材料工藝研究所和長春工業大學基礎科學學院用厚度為2mm的AISI304不銹鋼作為基體,通過以下工藝流程:304不銹鋼基體→電鍍硬鉻(厚度約10mm)→離子氮化(氮化溫度為580°C,氮化時間為7h)所制備的雙極板經測定耐腐蝕性能提高,接觸電阻明顯低于基體,電性能得到提高。如圖2所示.吳博等人采用電弧離子鍍的方法,在燃料動力電池表面用304.不銹鋼雙極板試樣沉積一種預先設計的高質量的Cr/CrN/Cr復合薄膜.經過對薄膜的接觸電阻、電化學腐蝕性能進行測試。發現其抗腐蝕性能大幅度提高。同時接觸電阻也大幅度降低。


4.3復合材料目前采用的復合材料重要包括碳,碳復合材料、碳基復合材料和金屬基復合材料。4.3.1碳,碳復合材料碳/碳復合材料具有高電導率、高熱導率、質量輕、耐高溫、高強度、高度耐腐蝕和化學穩定性高、可在沖壓過程中形成流場等優點,是較理想的雙極板材料。采用碳/碳復合材料制作雙極板的傳統方法;首先將聚合物樹脂和填料混合,形成預制料并固化成型,然后進行炭化、石墨化、氣相沉積等過程。炭化或石墨化處理可有效提高材料的導電性,并消除其內應力。但其制作過程要高溫條件,要長期且昂貴的化學氣相預浸處理,因而成本較高。黃明宇等人研究采用中間相碳微球(mesocarbonmi-crobeads,MCMB)/石墨復合材料。通過常溫模壓成型和炭化燒結工藝制備雙極板.制造成本低、效率高,抗壓強度大于152Mpa,抗彎強度大于40Mpa,電阻率小于30μΩm,滿足了燃料動力電池在工作條件和性能上的要求。文獻指出采用一種新型的碳/碳復合材料(以MCMB為基.以導電碳黑和碳纖維CF等為增強相)和凝膠注模新工藝制作的雙極板.可以不需機加工而一次成型雙極板氣體流道。研究表明,該種雙極板性能穩定,而且制作成本僅為進口產品的40%左右。

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