质子交换膜燃料电池薄型石墨双极板研究
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质子交换膜燃料电池薄型石墨双极板研究
罗晓宽”，侯 明２，傅云峰。，侯中军１，明平文·，衣宝廉２ （１．新源动力股份有限公司，辽宁大连ｌ １６０２５；２．中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连ｌ １６０２３）
摘要：通过用有机硅树脂对高分子环氧树脂及线型酚醛树脂进行改性后和导电材料膨胀石墨制作复合材料。然后将该 复合材料采用模压制作燃料电池双极板．由于有机硅树脂添加，使复合材料的伸长率大大提高，而树脂固化后的机械性 能几乎没有受到影响，从而使复合材料的厚度可减小以制作成薄型石墨双极板。 关键词：质子交换膜燃料电池；双极板；膨胀石墨；复合材料 中图分类号：ＴＭ ９１１．４文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－０８７Ｘ（２００８）１１—０７６０－－０４
枣
薅
业
晕 蛊 葚 ＃ 姐 州
图２ 透气量测量实验装置 Ｆｉｇ．２ Ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｏｓｍｏｓｉｓ
万方数据
０．０
Ｏ．５
１．０
１．５
２，０
２，５
硅树脂含量，％
图４硅树脂含量与复合材料伸长率的关系 Ｆｉｇ．４ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅｓｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｅｌｏｎｇａｔｅ ｒａｔｉｏｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ
树脂的质量比例低于１．０／１００时，减小的幅度很小，可以认为
其机械性能几乎没有变化，而当硅树脂与环氧树脂的质量比
例高于１．０／１００时，复合材料固化后的机械性能急剧下降，这
是因为当硅树脂的含量较少时，树脂固化后，复合材料的机械
性能主要有环氧树脂的机械性能来体现，当有机硅树脂含量
达到一定量以后，由于树脂中的ＳｉＯ．含量过剩，而ＳｉＯ一具有
０／１００（编号为Ａ），０．５／１００（编号为Ｂ）。１／１００（编号为Ｃ），
１．５／１００（编号为Ｄ），２／１００（编号为Ｅ），制作５种不同的复合
材料，复合材料的长度都为５０ ＩＴｌｌＴＩ，分Ｎｆ萸ＪＪ量其拉断后的长度
Ｌ，计算伸长率６．测量及计算结果见表１。
表１
Ｔａｂ．１
不同硅树脂含量的复合材料的伸长率 Ｍａｔｅｒｉａｌ ｅｌｏｎｇａｔｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
图５硅树脂含量与固化后复合材料机械性能的关系
Ｆｉｇ．５
Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅｓｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ
由图５可看出，随着有机硅树脂含量的增加，复合材料固
化后的拉伸强度及弯曲强度都在减小，特别在硅树脂与环氧
ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｅｒｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ａｄｄｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｉｎ，ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ｒｅｓｉｎ ｃｈａｎｇｅｄ
ｈａｒｄｌｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅｓ ｃａｎ
通人氦气和氧气，测量分析透氧量。测试装置如图２。 （４）用双极板组装电池进行稳定性测量 将制作的双极板组装电池，采用实验室的燃料电池测试
实验平台，选择一定条件，进行长时间的运行，测试双极板的 稳定性，实验流程简图如图３。
１．氢气瓶：２、１３．流量计：３、１２．干燥器；４、１１．针型阀； ５、１０．增湿罐；６．电池；７、８、９．温度控制器；１４．空压机
ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅｓｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ
复合材半ｌ
原始长ｆＥ／Ｌ
托断“ｋ『立ＩＬｌ
伸长率”，％
Ａ
５０
７０
４０
Ｂ
５０
９８
９６
Ｃ
５０
１３ｌ
wk.baidu.com１６２
Ｄ
５０
１４９
１９８
Ｅ
５０
１５７
２１４
沌：１）占＝（Ｌｌ—Ｌ），Ｌ×１（）（）％
由图４呵看出，硅树脂对复合材料的改性作用是很明显
的，没有硅树脂的复合材料其伸长率只有４０％，添加硅树脂。
２．３双极板性能的测量
我们选择有机硅树脂与环氧树脂的质量比例为１／１００的
复合材料制作薄型石墨双极板，分别对其基本性能进行测试
及组装电池组进行放电试验对其进行验证。
（１）双极板电阻测量
双极板的作用之一是实现每个单节电池之间的电的联
结，为使电池组在放电过程中，电池组的内耗尽量的小，双极
板材料应为电的良导体。分别测量薄型石墨双极板与纯石墨
１实验
１．１主要原材料 双酚Ａ型环氧树脂及线型酚醛树脂，有机硅树脂，膨胀
石墨（密度Ｐ＝０．２９／ｃｍ２）。
１．２复合材料的制备
将环氧树脂与酚醛树脂按ｌ：２的比例混合用乙醇作为
２００８．”Ｖ０１．３２ Ｎｏ．１ １
万方数据
７６０
溶剂配成粘度为２０ ｍＰａ·Ｓ的溶液．在此溶液中加入一定比例 的有机硅树脂，然后在一定压力条件下将此溶液灌入膨胀石 墨；接着将板材在烘箱中加温去除溶剂；再将低密度的板材用 滚压机压薄，制作成复合材料。 １．３双极板的制备
复合材料的伸长率的增加特别大，同时可看Ｈ｛有机硅树脂与
环氧树脂的质量比例高于１．０／１００时．复合材料伸长率的增加
程度明显且逐渐变慢。这是由于硅树脂中的ＳｉＯ．对于环氧树
脂苯环间的．ｏ．进行改性，使其具有一定的延展性，但随着有
机硅树脂的增加，环氧的含量相对变低，硅树脂中的ＳｉＯ．与
环氧的结合比例降低，所以，当有机硅树脂达到一定比例后，
本文通过用有机硅树脂对高分子环氧树脂及线型酚醛 树脂进行改性后和导电材料膨胀石墨制作复合材料，然后将 复合材料采用模压制作双极板，由于有机硅树脂添加．使复合 材料伸长率大大提高，就可以用很薄复合材料模压制作双极 板，选择添加合适比例的有机硅树脂，树脂在固化后的复合材 料强度几乎没有受到影响，因此可制作成薄型石墨双极板。其 厚度几乎可达到薄金属双极板的厚度。用此薄型石墨双极板 组装ＰＥＭＦＣ电池组，可明显减轻电池组的质量及减小其体 积。
收稿日期：２００８—０４－０２ 作者简介：罗晓宽（１９７孓＿），男．陕西省人．工程师，硕士研究生， 主要研究方向为燃料电泡双极板。 Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＬＵＯ Ｘｉａｏ－ｋｕａｎ（１９７５－－）．ｍａｌｅ．ｅｎｇｉｎｅｅｒ，ｃａｎｄｉｄａｔｅ ｆＯｒ ｍａｓｔｅｒ．
石墨制作复合材料，将复合材料一次性模压成型得到带有流 场的双极板，采用这种方法制作双极板可显著降低其成本。但 由于树脂的添加使复合材料的伸长率很小，为使模压成型时 双极板不产生穿透性裂缝，就要使复合材料具有较厚的厚度， 致使整个双极板的厚度增大。目前ＰＥＭＦＣ面临的挑战之一是 减轻电堆的质量和体积ｐ１，为解决这一问题，就必须使双极板 具有很薄的厚度。
ｂｅ ｍａｄｅ ｔｈｉｎｎｅｒ ｔｈａｎ ｂｅｆｏｒｅ．
Ｋｅｙ ＷＯｒｄｓ：ＰＥＭＦＣ；ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ；ｅｘｐａｎｄｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ
质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）是一种直接将燃料和氧化 剂中的化学能连续转化为电能的发电装置，它以其良好的大 电流放电而成为燃料电池研究发展的重点１１１。它在车载驱动电 源、便携式电源和家庭用电站等方面有着广阔的应用前景【２１。
双极板是ＰＥＭＦＣ的关键部件之一。它在电池中的主要功 能为支撑电极、导电、隔离氧化剂及燃料和均匀输送反应气体 等Ⅲ。制作双极板的材料主要为金属和石墨材料，金属双极板 具有较高的电导率，很好的力学性能，而且能够加工成为薄的 双极板，但在ＰＥＭＦＣ中，双极板工作的环境为高温及ｐＨ为 ２～３的酸性条件。双极板在此条件下，就会发生腐蚀和溶解， 使ＰＥＭＦＣ性能降低，甚至使ＰＥＭＦＣ不能工作Ｈ一１。石墨材料 由于其良好的导电、导热及耐腐蚀等功能而普遍用于ＰＥＭＦＣ 的双极板【６－７ｌ。作为传统使用的纯石墨或模铸碳板制作的双极 板，板的制备一般在高温下要进行石墨化，温度高达２ ５００ ℃．并且按严格的升温程序进行．时间长且造价昂贵；而且纯 石墨双极板的流场用计算机刻绘机加工，工艺更加复杂。膨胀 石墨由于其可压缩性，可根据电池组的工艺要求设计双极板 尺寸及流场，依次制作成模具，选择合适的高分子树脂和膨胀
２．Ｄａｌｉａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ＂Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｂｙｓ菇ｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ ｊ １６０２３，ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｕｓｉｎｇ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｗｉｔｈ ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ ａｎｄ ｌｉｎｅａｒ ｐｈｅｎｏｌｌｃ ｒｅｓｉｎ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｂｙ ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅｓｉｎ．Ｔｈｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ ＰＥＭＦＣ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅ ｅｌｏｎｇａｔｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｉｎ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅｓ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ—ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ
ＬＵＯ Ｘｉａｏ－ｋｕａｎ”，ＨＯＵ Ｍｉｎｇ：，ＦＵ Ｙｕｎ．ｆｅｎ９１，ＨＯＵ Ｚｈｏｎｇｄｕｎ’，ＭＩＮＧ Ｐｉｎｇ—Ｗｅｌｌｌ，ＹＩ Ｂａｏ－ｌｉａｎ。 （１．Ｓｕｎｍｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ．．Ｌｔｄ，Ｄａｌｉａｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ ｌ １６０２５，Ｃｈｉｎａ；
图３质子交换膜燃料电池测试实验流程图 Ｆｉｇ．３ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ＰＥＭＦＣ
２实验结果与讨论
２．１复合材料伸长率的测量
因为双极板必须具有阻气的功能，为制作薄型双极板，
复合材料应是伸长率较大的塑性材料，只有这样。在油压机上
模压成型时。复合材料才不会产生裂缝。才能保证双极板的致
密性。本文选择有机硅树脂与环氧树脂的质苗比例分别为：
７６１
２００８．１ １ Ｖ０１．３２ Ｎｏ．１ １
复合材料的伸长率增加程度会减小。 ２．２不同复合材料固化后机械性能的测量
双极板必须具有一定的机械性能，以保证在一定的压紧 力下组装电池组时，双极板不会变形。同时保证整个电池组有 很强的稳定性。将５种不同的复合材料在２００℃于烘箱中进 行固化，分别测茸其机械强度（拉伸强度和弯曲强度），以验证 其是否可以用于制作双极板。测量结果如图５。‘
２
３
ｌ、３．铜镀金板；２．双极板 图１ 电阻的测试示意图
Ｆｉｇ．１ Ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
（２）憎水性测量 测量方法为将２此的水滴滴在双极板上。采用放大数
为４０倍的显微镜对不同双极板的接触角进行测量。 （３）双极板透气量的测量 采用气相色谱仪分析双极板的透气量，在双极板的两侧
较强的延展性，致使树脂同化后，复合材料的机械性能降低。
为保证复合材料具有一定的伸长率，以制作薄型石墨双极板，
同时。要使复合材料固化后具有一定的机械强度，以保证双极
板具有一定的机械强度，根据２．１，２．２的实验结论，最合适的
选择是用有机硅树脂与环氧树脂的质量比例为１／１００的复合
材料制作薄型石墨双极板。
（１）电阻测量 对双极板电阻进行测量，测量方法：在两块圆柱形的铜块 （ｄ－－６０ｔｒｉｌｌｌ）的表面采取镀金处理．目的是减少待测样品与铜 块间的接触电阻，将样品放在两端板之间，在一定压力（Ｆ）下 通入一定的电流（Ｊ）来测试其两端电压（Ｕ）的变化。使用公 式Ｒ＝ＵＳ／２ ｆ（其中ｓ为铜块的下表面积）分别计算不同压力 下双极板的接触电阻，测试装置见图１。
双极板的电阻，如图６。
由图６可看出，由于石墨双极板中添加了树脂，薄型石墨
双极板的电阻比纯石墨双极板的电阻微微的大一些，以电池
运行时电流密度为０．５ Ａ／ｃｍ２计算，其增加的内部电压降为
Ｏ．５ｘ ４＝２ ｍＶ，其增加的内部电压降可忽略不计，由此可得出，
图６两种双极板的电阻 Ｆｉｇ．６ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｗｏ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅｓ 就电阻而言。薄型石墨双极板完全适合ＰＥＭＦＣ运行。 （２）双极板表面憎水性的测量 双极板的表面是否具有憎水性对于电池组能否稳定，长 时间地放电具有很强的影响，特别在大电流放电的过程中，电 池阴极会有大量的生成水产生，为使生成水有效地排出。双极 板的表面就要具有一定的憎水性。测量薄型石墨双极板与纯 石墨双极板的表面接触角，如图７。
选择合适的复合材料在油压机上用模具成型为有流场 的氢气、空气单双极板；然后将单双极板放人烘箱，在２００℃ 的温度下对树脂进行固化．最后将氢气、空气单双极板进行粘 结，制成双极板。 １．４复合材料伸长率的测量
采用ＷＩ）电子万能试验机测馈不同复合材料的伸长率及 不同复合材料固化后的拉伸强度及弯曲强度。
１．５双极板性能测试
罗晓宽”，侯 明２，傅云峰。，侯中军１，明平文·，衣宝廉２ （１．新源动力股份有限公司，辽宁大连ｌ １６０２５；２．中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连ｌ １６０２３）
摘要：通过用有机硅树脂对高分子环氧树脂及线型酚醛树脂进行改性后和导电材料膨胀石墨制作复合材料。然后将该 复合材料采用模压制作燃料电池双极板．由于有机硅树脂添加，使复合材料的伸长率大大提高，而树脂固化后的机械性 能几乎没有受到影响，从而使复合材料的厚度可减小以制作成薄型石墨双极板。 关键词：质子交换膜燃料电池；双极板；膨胀石墨；复合材料 中图分类号：ＴＭ ９１１．４文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－０８７Ｘ（２００８）１１—０７６０－－０４
枣
薅
业
晕 蛊 葚 ＃ 姐 州
图２ 透气量测量实验装置 Ｆｉｇ．２ Ｔｅｓｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｏｓｍｏｓｉｓ
万方数据
０．０
Ｏ．５
１．０
１．５
２，０
２，５
硅树脂含量，％
图４硅树脂含量与复合材料伸长率的关系 Ｆｉｇ．４ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅｓｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｅｌｏｎｇａｔｅ ｒａｔｉｏｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ
树脂的质量比例低于１．０／１００时，减小的幅度很小，可以认为
其机械性能几乎没有变化，而当硅树脂与环氧树脂的质量比
例高于１．０／１００时，复合材料固化后的机械性能急剧下降，这
是因为当硅树脂的含量较少时，树脂固化后，复合材料的机械
性能主要有环氧树脂的机械性能来体现，当有机硅树脂含量
达到一定量以后，由于树脂中的ＳｉＯ．含量过剩，而ＳｉＯ一具有
０／１００（编号为Ａ），０．５／１００（编号为Ｂ）。１／１００（编号为Ｃ），
１．５／１００（编号为Ｄ），２／１００（编号为Ｅ），制作５种不同的复合
材料，复合材料的长度都为５０ ＩＴｌｌＴＩ，分Ｎｆ萸ＪＪ量其拉断后的长度
Ｌ，计算伸长率６．测量及计算结果见表１。
表１
Ｔａｂ．１
不同硅树脂含量的复合材料的伸长率 Ｍａｔｅｒｉａｌ ｅｌｏｎｇａｔｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
图５硅树脂含量与固化后复合材料机械性能的关系
Ｆｉｇ．５
Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅｓｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ
由图５可看出，随着有机硅树脂含量的增加，复合材料固
化后的拉伸强度及弯曲强度都在减小，特别在硅树脂与环氧
ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗｅｒｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ａｄｄｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｉｎ，ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ｒｅｓｉｎ ｃｈａｎｇｅｄ
ｈａｒｄｌｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅｓ ｃａｎ
通人氦气和氧气，测量分析透氧量。测试装置如图２。 （４）用双极板组装电池进行稳定性测量 将制作的双极板组装电池，采用实验室的燃料电池测试
实验平台，选择一定条件，进行长时间的运行，测试双极板的 稳定性，实验流程简图如图３。
１．氢气瓶：２、１３．流量计：３、１２．干燥器；４、１１．针型阀； ５、１０．增湿罐；６．电池；７、８、９．温度控制器；１４．空压机
ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅｓｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ
复合材半ｌ
原始长ｆＥ／Ｌ
托断“ｋ『立ＩＬｌ
伸长率”，％
Ａ
５０
７０
４０
Ｂ
５０
９８
９６
Ｃ
５０
１３ｌ
wk.baidu.com１６２
Ｄ
５０
１４９
１９８
Ｅ
５０
１５７
２１４
沌：１）占＝（Ｌｌ—Ｌ），Ｌ×１（）（）％
由图４呵看出，硅树脂对复合材料的改性作用是很明显
的，没有硅树脂的复合材料其伸长率只有４０％，添加硅树脂。
２．３双极板性能的测量
我们选择有机硅树脂与环氧树脂的质量比例为１／１００的
复合材料制作薄型石墨双极板，分别对其基本性能进行测试
及组装电池组进行放电试验对其进行验证。
（１）双极板电阻测量
双极板的作用之一是实现每个单节电池之间的电的联
结，为使电池组在放电过程中，电池组的内耗尽量的小，双极
板材料应为电的良导体。分别测量薄型石墨双极板与纯石墨
１实验
１．１主要原材料 双酚Ａ型环氧树脂及线型酚醛树脂，有机硅树脂，膨胀
石墨（密度Ｐ＝０．２９／ｃｍ２）。
１．２复合材料的制备
将环氧树脂与酚醛树脂按ｌ：２的比例混合用乙醇作为
２００８．”Ｖ０１．３２ Ｎｏ．１ １
万方数据
７６０
溶剂配成粘度为２０ ｍＰａ·Ｓ的溶液．在此溶液中加入一定比例 的有机硅树脂，然后在一定压力条件下将此溶液灌入膨胀石 墨；接着将板材在烘箱中加温去除溶剂；再将低密度的板材用 滚压机压薄，制作成复合材料。 １．３双极板的制备
复合材料的伸长率的增加特别大，同时可看Ｈ｛有机硅树脂与
环氧树脂的质量比例高于１．０／１００时．复合材料伸长率的增加
程度明显且逐渐变慢。这是由于硅树脂中的ＳｉＯ．对于环氧树
脂苯环间的．ｏ．进行改性，使其具有一定的延展性，但随着有
机硅树脂的增加，环氧的含量相对变低，硅树脂中的ＳｉＯ．与
环氧的结合比例降低，所以，当有机硅树脂达到一定比例后，
本文通过用有机硅树脂对高分子环氧树脂及线型酚醛 树脂进行改性后和导电材料膨胀石墨制作复合材料，然后将 复合材料采用模压制作双极板，由于有机硅树脂添加．使复合 材料伸长率大大提高，就可以用很薄复合材料模压制作双极 板，选择添加合适比例的有机硅树脂，树脂在固化后的复合材 料强度几乎没有受到影响，因此可制作成薄型石墨双极板。其 厚度几乎可达到薄金属双极板的厚度。用此薄型石墨双极板 组装ＰＥＭＦＣ电池组，可明显减轻电池组的质量及减小其体 积。
收稿日期：２００８—０４－０２ 作者简介：罗晓宽（１９７孓＿），男．陕西省人．工程师，硕士研究生， 主要研究方向为燃料电泡双极板。 Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＬＵＯ Ｘｉａｏ－ｋｕａｎ（１９７５－－）．ｍａｌｅ．ｅｎｇｉｎｅｅｒ，ｃａｎｄｉｄａｔｅ ｆＯｒ ｍａｓｔｅｒ．
石墨制作复合材料，将复合材料一次性模压成型得到带有流 场的双极板，采用这种方法制作双极板可显著降低其成本。但 由于树脂的添加使复合材料的伸长率很小，为使模压成型时 双极板不产生穿透性裂缝，就要使复合材料具有较厚的厚度， 致使整个双极板的厚度增大。目前ＰＥＭＦＣ面临的挑战之一是 减轻电堆的质量和体积ｐ１，为解决这一问题，就必须使双极板 具有很薄的厚度。
ｂｅ ｍａｄｅ ｔｈｉｎｎｅｒ ｔｈａｎ ｂｅｆｏｒｅ．
Ｋｅｙ ＷＯｒｄｓ：ＰＥＭＦＣ；ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ；ｅｘｐａｎｄｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ
质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）是一种直接将燃料和氧化 剂中的化学能连续转化为电能的发电装置，它以其良好的大 电流放电而成为燃料电池研究发展的重点１１１。它在车载驱动电 源、便携式电源和家庭用电站等方面有着广阔的应用前景【２１。
双极板是ＰＥＭＦＣ的关键部件之一。它在电池中的主要功 能为支撑电极、导电、隔离氧化剂及燃料和均匀输送反应气体 等Ⅲ。制作双极板的材料主要为金属和石墨材料，金属双极板 具有较高的电导率，很好的力学性能，而且能够加工成为薄的 双极板，但在ＰＥＭＦＣ中，双极板工作的环境为高温及ｐＨ为 ２～３的酸性条件。双极板在此条件下，就会发生腐蚀和溶解， 使ＰＥＭＦＣ性能降低，甚至使ＰＥＭＦＣ不能工作Ｈ一１。石墨材料 由于其良好的导电、导热及耐腐蚀等功能而普遍用于ＰＥＭＦＣ 的双极板【６－７ｌ。作为传统使用的纯石墨或模铸碳板制作的双极 板，板的制备一般在高温下要进行石墨化，温度高达２ ５００ ℃．并且按严格的升温程序进行．时间长且造价昂贵；而且纯 石墨双极板的流场用计算机刻绘机加工，工艺更加复杂。膨胀 石墨由于其可压缩性，可根据电池组的工艺要求设计双极板 尺寸及流场，依次制作成模具，选择合适的高分子树脂和膨胀
２．Ｄａｌｉａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ＂Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｂｙｓ菇ｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ ｊ １６０２３，ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｕｓｉｎｇ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｗｉｔｈ ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ ａｎｄ ｌｉｎｅａｒ ｐｈｅｎｏｌｌｃ ｒｅｓｉｎ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｂｙ ｓｉｌｉｃｏｎ ｒｅｓｉｎ．Ｔｈｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ ＰＥＭＦＣ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅ ｅｌｏｎｇａｔｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｉｎ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅｓ ｏｆ ｐｒｏｔｏｎ—ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ
ＬＵＯ Ｘｉａｏ－ｋｕａｎ”，ＨＯＵ Ｍｉｎｇ：，ＦＵ Ｙｕｎ．ｆｅｎ９１，ＨＯＵ Ｚｈｏｎｇｄｕｎ’，ＭＩＮＧ Ｐｉｎｇ—Ｗｅｌｌｌ，ＹＩ Ｂａｏ－ｌｉａｎ。 （１．Ｓｕｎｍｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏ．．Ｌｔｄ，Ｄａｌｉａｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ ｌ １６０２５，Ｃｈｉｎａ；
图３质子交换膜燃料电池测试实验流程图 Ｆｉｇ．３ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ＰＥＭＦＣ
２实验结果与讨论
２．１复合材料伸长率的测量
因为双极板必须具有阻气的功能，为制作薄型双极板，
复合材料应是伸长率较大的塑性材料，只有这样。在油压机上
模压成型时。复合材料才不会产生裂缝。才能保证双极板的致
密性。本文选择有机硅树脂与环氧树脂的质苗比例分别为：
７６１
２００８．１ １ Ｖ０１．３２ Ｎｏ．１ １
复合材料的伸长率增加程度会减小。 ２．２不同复合材料固化后机械性能的测量
双极板必须具有一定的机械性能，以保证在一定的压紧 力下组装电池组时，双极板不会变形。同时保证整个电池组有 很强的稳定性。将５种不同的复合材料在２００℃于烘箱中进 行固化，分别测茸其机械强度（拉伸强度和弯曲强度），以验证 其是否可以用于制作双极板。测量结果如图５。‘
２
３
ｌ、３．铜镀金板；２．双极板 图１ 电阻的测试示意图
Ｆｉｇ．１ Ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
（２）憎水性测量 测量方法为将２此的水滴滴在双极板上。采用放大数
为４０倍的显微镜对不同双极板的接触角进行测量。 （３）双极板透气量的测量 采用气相色谱仪分析双极板的透气量，在双极板的两侧
较强的延展性，致使树脂同化后，复合材料的机械性能降低。
为保证复合材料具有一定的伸长率，以制作薄型石墨双极板，
同时。要使复合材料固化后具有一定的机械强度，以保证双极
板具有一定的机械强度，根据２．１，２．２的实验结论，最合适的
选择是用有机硅树脂与环氧树脂的质量比例为１／１００的复合
材料制作薄型石墨双极板。
（１）电阻测量 对双极板电阻进行测量，测量方法：在两块圆柱形的铜块 （ｄ－－６０ｔｒｉｌｌｌ）的表面采取镀金处理．目的是减少待测样品与铜 块间的接触电阻，将样品放在两端板之间，在一定压力（Ｆ）下 通入一定的电流（Ｊ）来测试其两端电压（Ｕ）的变化。使用公 式Ｒ＝ＵＳ／２ ｆ（其中ｓ为铜块的下表面积）分别计算不同压力 下双极板的接触电阻，测试装置见图１。
双极板的电阻，如图６。
由图６可看出，由于石墨双极板中添加了树脂，薄型石墨
双极板的电阻比纯石墨双极板的电阻微微的大一些，以电池
运行时电流密度为０．５ Ａ／ｃｍ２计算，其增加的内部电压降为
Ｏ．５ｘ ４＝２ ｍＶ，其增加的内部电压降可忽略不计，由此可得出，
图６两种双极板的电阻 Ｆｉｇ．６ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｗｏ ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅｓ 就电阻而言。薄型石墨双极板完全适合ＰＥＭＦＣ运行。 （２）双极板表面憎水性的测量 双极板的表面是否具有憎水性对于电池组能否稳定，长 时间地放电具有很强的影响，特别在大电流放电的过程中，电 池阴极会有大量的生成水产生，为使生成水有效地排出。双极 板的表面就要具有一定的憎水性。测量薄型石墨双极板与纯 石墨双极板的表面接触角，如图７。
选择合适的复合材料在油压机上用模具成型为有流场 的氢气、空气单双极板；然后将单双极板放人烘箱，在２００℃ 的温度下对树脂进行固化．最后将氢气、空气单双极板进行粘 结，制成双极板。 １．４复合材料伸长率的测量
采用ＷＩ）电子万能试验机测馈不同复合材料的伸长率及 不同复合材料固化后的拉伸强度及弯曲强度。
１．５双极板性能测试