《测试聚四氟乙烯涂层在高分子电解质型燃料电池中对碳纸性能的影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测试聚四氟乙烯涂层在高分子电解质型燃料电池中对碳纸性能的影响（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本科生毕业设计（论文）外文翻译学 院 轻工学院 专 业_ 印刷工程_导 师 学 生 学 号_ 2015年6月8日 测试聚四氟乙烯涂层在高分子电解质型燃料电池中对复写纸性能的影响D. Bevers*, R. Rogers, M. Von Bradke德国航空航天研究机构（DLR），技术热力学研究，Pfaffenwaldring 38-40.70569斯图加特，德国1996年6月20日获得；1996年8月2日被公认。摘要：聚合物燃料电池的电解质构成增益动量，取决于可实现高功率密度和相对简单的处理。因为他们的实际反应催化层大约10m。复写纸经常被作为额外的支持目的是提高在燃料电池中气体的分布和水的管
2、理。通过聚四氟乙烯涂层的悬浮液复写纸通常是疏水的。通过纸平面的导电率聚影响四氟乙烯涂层及烧结时间，本文分析讨论了透气性和纸张的疏水性。关键词：聚合物电解质燃料电池；涂层；复写纸1 引言高效率和低排放能源的需要转换集中增加了燃料电池的兴趣。聚合物电解质燃料电池（PEFC）被认为是用于驱动汽车和小型组合最有前途的选择功率单位。这是由于高功率密度的可实现和相对简单的处理1-5 。因为他们的实际反应催化层的范围是在10m6-8。复写纸经常用作附加背衬目的是改善在燃料电池的气体分配和水管理。为了避免被电极产生的水浸泡碳纸通过与聚四氟乙烯（PTFE）部分地涂覆悬浮液通常为疏水性9-14。在我院作为正在进行
3、的PEFC研究的一部分15.16，已进行了一系列的实验以检验聚四氟乙烯涂层影响和在不同的纸张性能的烧结时间。要了解的是，在本研究中进行的实验调查是否依赖制备聚四氟乙烯包覆复写纸的特性影响纸的性能，如与燃料电池中的应用；这不是一个优化研究。有三个感兴趣的纸张特性的研究，可以相互影响一种燃料电池的整体性能：纸张的疏水性（在通过纸面避免减少透气性液体水饱和度的结果重要）气体扩散穿过纸面能力（避免减少通过气体渗透纸平面作为液态水饱和度的结果的重要），和纸的电导率（考虑有效性和由于欧姆电阻的能量损失的重要）。每个三特征绘制每两个生产相关的因素：（i）聚四氟乙烯涂布到纸张上的量（ii）聚四氟乙烯被固定到碳
4、纤维纸纤维的烧结温度。预期的结果是看到三性质之间的简单关系对纸张性能的相关特性和多因素纸张的制备。2 实验2.1 材料所有样品的制备利用西格里PE 704复写纸（厚度 300m）和Hostaflon 5032（60%固体）PTFE悬浮液。在实验中使用的单个样品都是圆形的，直径为26mm。图1显示扫描电子显微镜（SEM）未经处理的碳纤维纸的图片。图一 未经处理的复写纸SEM照片2.2 聚四氟乙烯涂层将西格里纸裁切成9X9的正方形并泡在丙酮里一小时，目的确保碳纤维是清洁的并且纸张是无灰尘的。在纸张进行简单的冲洗之后丙酮溶液静置几分钟，纸张允许的干燥温度是80100。为了给纸张覆盖PTFE，9X9的
5、样品缓慢的降落于PTFE悬浮液中，悬浮液吸附到纸张上的速度要慢。纸张放置于悬浮液5分钟然后取出，为了干燥纸张，将纸张平置于正方形13针的配置上（针对性）。这使聚四氟乙烯干在纸张的表面均匀并且当样品发生挂干时避免大量的PTFE干燥在纸张部分区域 。然而，观察到了在干燥过程中聚四氟乙烯的迁移：较高量的PTFE干燥在纸张的四个边缘与其中心部分做比较。然而，这并非是不利于研究，纸张中心的PTFE含量是一致的，从这个区域切割下实验中使用的样本，剩下的聚四氟乙烯类似的制备的碎片负荷偏差在34%的范围内（图2）与PTFE考虑到的负载范围0200%作比较。PTFE质量百分比计算方法是（mhydr munhyd
6、r）/munhydr）X100换句话说就是PTFE/复写纸的重量比。2.3 烧结样品置于温度低于200的烧结炉中，烤箱加热到所需的温度，这一过程长达10分钟。一旦已经达到所需的温度标记下时间。当标记的时间反映预期的烧结时间，烤箱是快速冷却（2-3分钟）到150-200并取出样品。为了确保PTFE含量尽可能最好的均匀性，整个9cmx9厘米的样品片与PTFE涂层后烧结，然后切成来自烧结方块的单个样品。在390中具有不同的PTFE负载样品的烧结时间为20分钟，不同烧结温度下的样品的烧结时间是15分钟。烧结温度/图2烧结前后聚四氟乙烯样品的百分含量 图3气流的压降在样品具有的不同烧结温度；流动率；20
7、SLPM.PTFE；180wt%.样品区：3.14cm22.4 导电率实验该疏水化纸张的贯通面的导电性是通过夹住样品测量2个对准的铜电极并测量样品在下不同施加压力下贯通面的电阻（最多540块），测定值表示由于疏样品接触电阻的变化。使用的电极是由每次实验前抛光的固体铜组成的。都有22毫米直径的圆的接触表面区域。通过面电阻的测定使用毫欧表（HP 4228A，1 KHZ下四点测量法）验证电阻短路后铜电极的稳定性（其间没有样本）电线连接欧姆计的电极上，电极的背面用导电的银化合物胶水。2.5 散射实验通过测定流经纸平面的压力降评价透过直面的气体扩散，只要数据趋势相对于烧结温度和PTPE的百分含量如何影响
8、对流和扩散而言，这些压降实验揭示了相同的基本信息。两段内径20 mm的有机玻璃管，端到端的放置形成了本次实验中气体流动的主要通道。一个小的金属板凭借其平面导向放在气体入口的一端。目的是破坏任何集中的气流以至于撞击样品表面，严重的影响样品表面，从而导致降压纸平面错误的度数。拟合了其中的两根管子使直径为26mm的圆形样品垂直于气流嵌入它的平面上。所有管道管和管样品接触是密封的,直面的压力降的测量是通过样品侧边管壁上的小孔得到的，都连接到两端含乙醇的U型管。U型管中两乙醇柱之间的高度差是由于直接测量纸张表面的压降导致的，使用乙醇使得柱高度读数较高，比所看到的比如水这样更密集的液体更容易读取。 通过测
9、量气体的入口压力调节气体流量。2.6 疏水性实验纸张的疏水性标志是通过观察样品在软化水压力下浸泡十分钟。通过比较样品采取前和立即浸泡后的样品重量，可以做出样品的吸水量的测定。将样品放入水中，应用压力为10bar并且整个应用程序只允许持续十分钟。本实验先前的尝试是用较低的压力级别，虽然在最初的结果他们都取得了相似的发展趋势，但同一个样品使用两次时这些结果不能被转载。2.7 实验顺序三个纸张性能的研究（i）纸张的疏水性；（ii）通过纸平面氧气流动的压降；（iii）通过纸平面的电导率）样品的制备涉及的两个因素，聚四氟乙烯在纸上的涂层量，和烧结温度。样品研究的实验顺序：（i）纸张的疏水性；（ii）流经
10、纸平面氧气的压力降；(iii)通过纸平面的电导率，及（iv）氧气流经纸平面的压降，进行第二次试验观察与第一次由于“挤压”的电导率实验效果的不同，在电极之间的高压下按下样品，有两个不同的样品的测量至少重复两次。2.8 假设数据的处理需要进行一个假设，样品重量的记录是为了计算PTFE的百分含量，和在疏水性实验样本中水的量。然而这些计算，所有未经处理的原始样品的重量即一块不含PTFE的圆形锡格里复写纸。假定未处理的重量的值是通过取12未处理件锡格里纸的平均重量建立的，每个切成相同合适的样品的尺寸和形状。通过查看在12未经处理的样品中单一的最高和最低的重量作为最小的和未处理的试样重量的最大界限。在计算
11、试样的聚四氟乙烯的百分含量5%的最大值是可能的。3 结果与讨论3.1 通过烧结得到的结构可以看出应用聚四氟乙烯涂层复写纸的一个优势是从聚四氟乙烯的结合能力获得结构优势，这使得破碎的纸张纤维更好的结合在一起，虽然没有对这些观察结果进行正式的测量，但是影响是明显的。未经处理的样品放置在铜电极之间（测量通过纸平面的电导率）在只要120bar的压力下完全打碎成碳粉，然而，处理后的样品经历了多达540bar的温度和无重复使用的设备。数据表明，对于压降气体流经过的纸平面，压降随着烧结温度的增高，压降减小（图3）。这是由于较高的烧结温度造成可用聚四氟乙烯涂层纸纤维更彻底，从空间移动纤维与纤维本身，因此通过这
12、些空间气体流通更容易，结果发现，较高的是聚四氟乙烯载荷，由于不同烧结温度下的压降的差异越大。图4显示的是同一样品烧结前后的SEM照片，在烧结前很多区域中聚四氟乙烯在纤维间以悬浮物形成封闭的阴影并且只有小裂纹。烧结后这些区域都消失了，仅纤维间高含量聚四氟乙烯积累的空间的区域仍封闭。通过更高的烧结温度可以明显的对通过平面的电导率产生负面影响（图5）。这可能是由于更好的纸张纤维用PTFE涂层。事实上，在较高的压力范围内，一些未烧结样品比一些烧结样品导电性差，在这些非常低水平的电阻中我们将此归因于工具的局限性。最后，压降测量后的导电性实验显示对烧结温度温和的依赖性（更高的温度下产生较低的压力降）（图6
13、）但输送烧结聚四氟乙烯涂层样品的重要性的数据是最有用的：通过电极之间被压，含未烧结的样品中的PTFE形成阻碍极气体渗透率与烧结试样片做比较，这将导致一个燃料通量的显著减少通过在实际的燃料电池中。图4 附着相同聚四氟乙烯的复写纸烧结前（a）烧结后（b）图5. 通过平面的电量cor，测量不同烧结温度下制备的样品；PTFE：180%；表面区域：3.8cm23.3 PTFE纸张特性用于这部分的研究的聚四氟乙烯的含量为未经处理部分重量的0-190%。选择这个大的范围目的是为了分清不同的影响不同的效果和被淘汰的范围，其中的系统性误差大于效果。典型商业可同的聚四氟乙烯处理的打印纸中包100-120%质量分数
14、的聚四氟乙烯。随着聚四氟乙烯质量分数的增加，样品的疏水性表现出明显的倾向（图7）。这一预期结果由于聚四氟乙烯是一种非常疏水性材料。相对于氧气流经样品平面的压力降，与压降增加增加的PTFE的质量分数（图8）。同样，可以预期到的是，在纸张中增加纤维之间的PTFE的含量，因此从纸面减少气体流量。这个假设是通过SEM图片证明的。图9（a）表明了PTFE质量分数为25%的纸张，图9（b）是聚四氟乙烯质量分数为60%的纸张。可以清楚地观察到不同数量的封闭孔。当更多数量的聚四氟乙烯涂层和更完整的隔热纸张纤维加入时，导电率下降（图10）。试图轻轻打磨样品表面证明在增加其导电性能中是无效的并且在读数中不能采取未
15、经处理的样品，因为他没有结合聚四氟乙烯，在实验中样品分解成碳粉。如图可知：最后，一个显着的差异是它已经为电导率测量电极之间在他们的能力方面的压力，以允许气体流过他们的纸平面新产生的样本与原样本之间，如图2可知。测量的压降比已经历过电极之间的压缩采样高得多。这迫使聚四氟乙烯变平并填充纸纤维之间的空间，使得纸更像薄膜，因此更多的是通过其平面的气体流抗性。这是类似在燃料电池中使用的书写纸，其中该纸也暴露于压力，因此最大限度地降低接触电阻是很重要的。图 6 不同烧结温度下纸张表面的压降；PTFE：180wt.%；样品表面：3.14cm2图7 不同负载PTFE的样品的吸水量（测量三个系列）图8 不同负载PTFE样品的气体流动压力降（流动率：20 SLPM），测量两个系列的指数拟合图9 烧结前复写纸的SEM照片：（a）PTFE百分含量25%（b）PTFE负载百分含量60%（图9（b）与图4（a）相吻合）图10 样品不同PTFE负载量表面电导率的测量，表面区域：3.8cm2图11 复写纸未压区域和按压区域的压力降。气体流动率20 SLPM，区域面积3.14cm2样品被压到540bar4 结论这项研究是指为背衬在聚合物电解质燃料电池中使用
