Ti3SiC2基燃料電池雙極板復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、燃料電池因具有能量轉(zhuǎn)換效率高、低排放、模塊結(jié)構(gòu)簡單及維護(hù)檢修方便等優(yōu)點(diǎn)引起了各國政府和學(xué)者的重視。雙極板是燃料電池的重要組成部件之一，由于其電導(dǎo)率、成型、機(jī)械加工性能以及使用壽命等方面有待改善，生產(chǎn)成本有待降低，所以研發(fā)雙極板新材料成為目前燃料電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)中的重要課題。本研究通過熱壓燒結(jié)單體粉末制備Ti3SiC2基復(fù)合材料，研究燒結(jié)工藝和附加添C量對其合成和性能的影響，并加入助燒劑進(jìn)一步提高雙極板復(fù)合材料的性能。期望獲得可用于燃料電池

2、雙極板的復(fù)合材料，拓寬其選材范圍，提高性價比。
　　 根據(jù)美國能源部(DOE)對燃料電池雙極板的性能要求，對燒結(jié)溫度和附加添C量進(jìn)行優(yōu)選，分析影響Ti3SiC2基復(fù)合材料力學(xué)性能和電學(xué)性能的因素。結(jié)果表明:在制備工藝范圍內(nèi)獲得的復(fù)合材料的性能都能夠滿足雙極板的使用要求，最優(yōu)制備參數(shù)為燒結(jié)溫度1400℃，附加添C量5wt％，此時復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為447.80MPa，電導(dǎo)率為28155.68s·cm-1，腐蝕液處理后彎曲強(qiáng)度和電導(dǎo)

3、率下降8.43％和5.56％，熱震溫差為900℃時，剩余彎曲強(qiáng)度為155.71MPa，在40℃～900℃間其平均線膨脹系數(shù)為12.22×10-6K-1，900℃時的電導(dǎo)率為5287.9s·cm-1。
　　 為提高Zi3SiC2基復(fù)合材料的性能，提出加入Al作為燒結(jié)助劑的方案，研究燒結(jié)溫度，保溫時間，附加添C量對復(fù)合材料的影響。結(jié)果表明，隨著燒結(jié)溫度的提高和附加添C量的降低，材料的彎曲強(qiáng)度和電導(dǎo)率增加，而其隨保溫時間表現(xiàn)出先增加后

4、減小的變化趨勢，60分鐘時材料的性能最佳。復(fù)合材料的整體性能顯著提高，完全可以用于燃料電池雙極板。對比性能最優(yōu)的不加助燒劑制備的復(fù)合材料，優(yōu)選的Al助燒復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度提高了107MPa，電導(dǎo)率提高了10812.26s·cm-1，腐蝕液處理后彎曲強(qiáng)度和電導(dǎo)率的降幅分別減小了1.1％和0.41％，熱震溫差為900℃時的剩余彎曲強(qiáng)度高出18.04MPa，在40℃～900℃間材料的平均熱膨脹系數(shù)減小了0.23K-1，900℃時電導(dǎo)率提高了6

5、563.82s·cm-1。
　　 對復(fù)合材料導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)組成的研究表明，隨著Ti3SiC2體積分?jǐn)?shù)的降低，復(fù)合材料電導(dǎo)率預(yù)估公式計算的電導(dǎo)率下降。Ti3SiC2體積分?jǐn)?shù)較大時，復(fù)合材料電導(dǎo)率預(yù)估公式計算的電導(dǎo)率的誤差都較小。當(dāng)Ti3SiC2的體積分?jǐn)?shù)為73.38時，復(fù)合材料的未修正的計算值與實(shí)際值相差較大。隨著Ti3SiC2體積分?jǐn)?shù)的大幅度減少，未修正的計算值誤差稍有變小而修正后的誤差明顯變大。對電子在復(fù)合材料導(dǎo)電通道中運(yùn)動的研究表