细鳞片膨胀石墨在燃料电池中的应用分析

细鳞片膨胀石墨在燃料电池中的应用分析 细鳞片膨胀石墨在燃料电池中的应用分析 第24卷第6期 V01.24.No.6 ? 生物化工及材料研究? 攀枝花学院 JournalofPanzhihuaUniversity 2007年l2月 Dec.20o7 细鳞片膨胀石墨在燃料电池中的应用分析 赖奇李玉峰刘国钦 (攀枝花学院生物与化学工程学院细鳞片石墨深加工重点实验室,四川攀枝花617000) 摘要本文简述了质子交换膜燃料电池双极板的基本概念,分析了细鳞片膨胀石墨在质子交换膜燃料电池 中应用的优缺点.指出细鳞片膨胀石墨优点是比表面积大,密度均匀,复合性能好,不足之处在于纯度不够 高,在回弹性,导电性方面不如大鳞片膨胀石墨.指出细鳞片膨胀石墨在质子交换膜燃料电池中的应用发展 方向在于复合双极板. 关键词细鳞片石墨;燃料电池;应用 作者简介赖奇(1976——),男,汉族,籍贯四川攀枝花,攀枝花学院生物与化学工程学院,讲师.主要研究 方向为碳,石墨材料方向. 前言 燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置.与传统能源相比,燃料电 池在反应过程中不涉及燃烧,因而能量转换效率不受卡诺循环的限制,具有高效,洁净的显着特点,被认 为是2l世纪首选的洁净高效发电技术.作为可替代内燃机技术的燃料电池技术,被认为是仅次于基因 组和超级材料之后的第三项尖端技术.其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)不但具有燃料电池的一 般特点,如不受卡诺循环的限制,无污染,能量转化效率高等,同时还具有可室温快速启动,无腐蚀问, 水易排出,寿命长,比功率与比能量高等突出特点.因而在家庭,汽车等领域有较大应用空间. 从国内外的技术现状来看,石墨材料在电极电池材料有广泛应用,如锂离子电池,燃料电池及锌锰电 池等.锌锰电池及锂离子电池技术已相当成熟,产品已普及.而燃料电池由于成本较高寿命不够长,因 而只在高端领域有所应有,在普通领域还未普及.燃料电池在普通领域的应用至今仍处于实验阶段.然 而短短几年时间燃料电池技术突飞猛进,仅在燃料电池车上已投入数百亿美元,研制成功的燃料电池汽 车达到数十种.燃料电池技术普及的关键一是寿命,二是成本.电池寿命可归结于技术层面,而成本,主 要靠关键零部件的生产成本降低.双极板作为燃料电池电堆的核心构件之一,成本占到燃料电池较大比 重.它的成本降低,直接关系到燃料电池进入家庭,汽车和其他领域的进程. 1质子交换膜燃料电池中膨胀石墨的应用 质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为电催化剂,电极,质子交换膜及双极板.其中双极板又称 集流板,其作用是收集电流,传送气体,并排放热量.燃料电池双极板要求具有高的比表面积,高的化学 稳定性,低的电阻.同时为提高冲放电的效率需要控制多孔材料的孔径分布,以便 减少在细孔深部形成 双电层的阻力.质子交换膜燃料电池双极板材料主要有两种:一是石墨或碳板.其加工是采用石墨 粉,粉碎的焦碳与可石墨化的树脂或沥青混合,在石墨化炉中按严格的升温程序,升温至2400,27000C, 制备无孔或低孔隙率(不大于l%),仅含纳米级孔的石墨块,再经切割和研磨,制备厚度为2,5mm的石 墨板,然后在其表面刻绘需要的流场.其优点较明显,电阻小,耐腐蚀性能强,质量轻,可以机器加工也可 以注塑等;但其缺点也很明显,如费用高,强度差.另一种是金属板/不锈钢板,优点是成本低,强度大,易 成型,体积小.缺点是耐腐蚀性差.,质量大…. 而膨胀石墨双极板是上述两种质子交换膜燃料电池双极板材料之外的极板材料.目前国际燃料电 池巨头均有膨胀石墨燃料电池产品.如Ballard和Toshiba公司等均在开发膨胀石墨双极板.在美国能 第24卷攀枝花学院第6期 源部资助下,LosAlamos国家实验室在发展采用模压成型的方法制备带流场的双极板.我国大连化学物 理研究所联合新源动力公司研制的膨胀石墨模压双极板,已经进行了千瓦级短堆的运行试验,其结果接 近了国际先进水平].这表明膨胀石墨作为双极板材料易于批量生产,同时也表明膨胀石墨作为双极板 材料得到了广泛认同. 膨胀石墨双极板的发展与其特点是分不开的.膨胀石墨双极板具有导电性好,耐腐蚀,自密封,阻气 能较好等优异性质.它的气道可以通过模压,切割,冲压以及滚压浮雕等多种方式加工,特别适合批量生 产.另外,由于膨胀石墨双极板价格低廉,其成本优势相当明显. 2细鳞片膨胀石墨在燃料电池中的应用分析 细鳞片石墨材料自身具有独特性质,其优点是: ?粒度小,生产的电极材料密度更均匀.电极材料一般要求细度小到324目以下,而攀枝花细鳞片 石墨粒度基本可达到这一细度.这为深加工提供了方便J. ?化学稳定性好.攀枝花细鳞片石墨具有很好的导电,导热及耐腐蚀性能,且抗氧化性能优于大鳞 片石墨.以之为原料的膨胀石墨在化学稳定性方面较好. 以攀枝花细鳞片石墨为原料制备的膨胀石墨在继承了石墨的导电,导热,耐高温,耐酸碱等优良特性 外,还具有以下性能: ?比表面积大.从各个供应商提供的资料来看,最典型的比表面积是26—28m2/g.山东青州产膨 胀石墨为24.2m2/gJ,而攀枝花细鳞片膨胀石墨比表面积达到了50m2/g.攀枝花细鳞片膨胀石墨具有 优良的比表面积. ?攀枝花产细鳞片膨胀石墨压缩率更好,压制的柔性石墨板密度更均匀,在流场的浮雕模压上有一 定优势.因而可更好的满足燃料电池中膨胀石墨模压双极板要求. ?复合性能更好.攀枝花细鳞片膨胀石墨制备的柔性石墨板因其粒度小,与其它材料复合时均匀性 更好.对应的性能更稳定. ?价格优势更明显.膨胀石墨本身来自于天然石墨矿,成本低廉.作为燃料电池双极板原材料,可 将其成本降到硬石墨类的20%以下.从大鳞片石墨与细鳞片石墨的价格来看,本地石墨价格目前为 1500—24o0元/吨,而以外地产32目大鳞片石墨的价格在6000元/吨左右.因此攀枝花细鳞片石墨价格 优势明显. 攀枝花细鳞片膨胀石墨板材的不足之处在于纯度不够高,在导电性和回弹性方面与大鳞片膨胀石墨 板材有一定差距. 从以上特点可以看出,攀枝花细鳞片膨胀石墨板材单独作为燃料电池双极板,在性能上与大鳞片膨 胀石墨板材各有优势,但细鳞片膨胀石墨与其它材料如钢等复合形成复合双极板,则能更好的结合石墨 板和金属板的优点,具有耐腐蚀,体积小,质量轻,强度高等特点,相比大鳞片膨胀石墨更有优势,应该是 将来发展的趋势.因此,攀枝花细鳞片柔性石墨可望作为双极板材料在燃料电池中得到应用. 3结束语 燃料电池在普通领域中的普及时间正是细鳞片膨胀石墨进行研发,参与竞争的宝贵时机.细鳞片石 墨应当在提高技术含量,生产高附加值工艺技术的产品的前提下,加强基础研究工作,如细鳞片膨胀石墨 双极板的制备工艺,以期获得高性能产品,能够参与电池材料行业的发展中去[6—10].事实,靠外 来技术提高水平发展石墨材料是行不通的.因此,摆在细鳞片石墨工作者面前的工作就是加强自主创 新,发展核心技术,为石墨行业可持续发展做出贡献. 参考文献 [1]黄乃宝,衣宝廉,侯明等.PEMFC薄层金属双极板研究进展[J].化学进展,2005,(6):963—969. 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TheStudyofPhaseTransformationonAI2O3PowdersCrystalline YangHu—xia,XuanYah,DuShah,LiuYou—jU (1.DepartmentofPhysics,BaeshanteachercoHege,Baeshan678000 2.DepartmentofMateralsondEngineering,PanzhihuaVniversity,Panzhihua617000) Abstract:Theclear.transparentandstableAIOOHsolswerepreparedinthisworkbyusingsol—gelmethod.Thestudyre- suhsindicatesthat,duringthepreparationofsols,severalfactorssuchaspH,molarratio([c3H7O3]3AI/H2O),hydrolysistern. peratureanddilutiontemperatureetalinfluencethephasetransformationonA1203powderscrystalline.Inaddition,calciningtern— peratureaffectsthephasetransformationonAEO3powderscrystallineaswel1. Keywords:03powders,phasetransformationexperimentalparameters;calciningtemperature (上接第2页) [5]曹乃珍,沈万慈,温寺铸等.膨胀石墨孔结构的影响因素[J].材料科学与工 程,1996,14(4):22—26. [6]曹梦竺,阳应华,王兴涌.膨胀石墨的研究与应用现状,炭素技术,2003,127(4):34 —36. [7]张克信.柔性石墨密封材料及其应用[J].碳素,1992,(4):33—4o. [8]王建英,胡永琪,张向京,赵瑞红.石墨层间化合物(GIC)的合成技术及其在催化反 应中的应用[J].河北化工, 2004,(2):8—10. [9]李湘洲.新型炭材料一膨胀石墨[J].新型炭材料,1992,(3):38—41. 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