纳米纤维素负载CNT改性碳纸基GDL微孔层结构性能与研究

编号：CYYJ04528

篇名：纳米纤维素负载CNT改性碳纸基GDL微孔层结构性能与研究

作者：陈逸菲

关键词： 质子交换膜燃料电池; 气体扩散层; 微孔层; 纳米纤维素; 碳纳米管;

机构： 浙江科技大学

摘要： 碳纸基气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)重要组成部分,其主要包括微孔层(MPL)和碳纸层。MPL与碳纸基底层接触不良会增加GDL界面电阻,MPL中过多的生成水会阻塞气体扩散路径,降低燃料电池性能,因此MPL的孔隙大小和孔隙分布对PEMFC的水管理至关重要。为了通过纳米纤维素负载碳纳米管(CNT)改性MPL实现微孔形成和透气/导电协同增强,本文开展了以下研究: 首先,采用不同长度的纳米纤维素(CNC、CNF)与VXC炭黑复合制备新型MPL用于改善GDL孔隙结构性能。研究发现,纳米纤维素改善了MPL石墨化程度和表面平整性,表面均匀的小孔数量增多,用VXC/CNF1-20制备的MPL中平面电阻率、表面粗糙度、水接触角的最优值分别为59.6 mΩ·cm,1.93μm和140°。GDL垂直向电阻率和体密度的最优值分别为87.2 mΩ·cm,和0.48 g·cm-3。VXC/CNC-20制备MPL表面微孔最多,但中孔和小孔偏少,VXC/CNF2-20微孔和小孔数量较为接近,但中大孔较少。VXC/CNF1-20制备的MPL在400 Pa压力下透气度280 L·m-2·s-1,在800 Pa压力下测试,VXC/CNF1-20最高透气度可达490 L·m-2·s-1,孔隙率最高达75.59%。热重分析显示,所有MPL在500oC前具有良好的热稳定性,拉伸强度和应力应变分别为14.5 MPa和29.1 MPa。纳米纤维素复合VXC炭黑制备MPL组装PEMFC在40%RH、70%RH和100%RH条件下,极限电流密度分别为1.23 A·cm-2,1.26 A·cm-2和1.22 A·cm-2,极限功率密度分别为0.43 W·cm-2,0.46 W·cm-2和0.45 W·cm-2。VXC/CNF1-20改性PEMFC的EIS曲线的弧线截距向左偏移,其物质传输阻抗最低,具有最佳的水管理能力以及气体传输性能。 其次,采用不同添加量的CNT与VXC炭黑复合制备新型MPL用于提升GDL电化学性能。研究发现,CNT-25改性MPL的平面电阻率、表面粗糙度,水接触角最优值分别为47.9 mΩ·cm,2.18μm和137°,GDL的垂直向电阻率和体密度最优值分别为69 mΩ·cm和0.66 g·cm-3。在800 Pa压力下CNT-25制备的GDL最高可达530 L·m-2·s-1,孔隙率可达75.81%。Tafel曲线表明CNT-25腐蚀电流最低可达到0.44μA·cm-2,腐蚀电压为0.31 V,Rb值为2574 kΩ,EIS阻抗较大,表明可以承受较高的腐蚀性能。其拉伸强度和应力应变分别为16.5 MPa和27.53 MPa。CNT-25复合VXC炭黑制备MPL组装PEMFC在40%RH、70%RH和100%RH条件下,极限电流密度分别为1.31 A·cm-2,1.33 A·cm-2和1.29 A·cm-2,极限功率密度分别为0.45 W·cm-2,0.48 W·cm-2和0.46 W·cm-2。 最后,采用不同长度的纳米纤维素负载CNT/VXC炭黑制备新型MPL用于提升GDL综合电化学性能。研究发现,纳米纤维素负载CNT/VXC炭黑改性MPL的平面电阻率、表面粗糙度、水接触角分别为36.4 mΩ·cm,1.68μm和143°。GDL的垂直向电阻率和体密度为39 mΩ·cm和0.68 g·cm-3。在800 Pa压力下CNT-25/CNF1-20制备的GDL透气度最高可达732 L·m-2·s-1,孔隙率提升到77.54%。随着CNT添加量从5 wt%增加到35 wt%,腐蚀性能先逐渐增强后逐渐减弱,CNF1-20/CNT-25最低的腐蚀电流为0.176μA·cm-2,腐蚀电位为0.39 V。改性GDL拉伸强度和应力应变分别为17.2 MPa和36.42 MPa。CNT-25/CNF1-20复合VXC炭黑制备MPL组装PEMFC在40%RH、70%RH和100%RH条件下,极限电流密度为1.39 A·cm-2,1.45 A·cm-2和1.30 A·cm-2,极限功率密度达0.48W·cm-2,0.49 W·cm-2和0.47 W·cm-2。CNT-25/CNF1-20改性GDL制备PEMFC物质传输阻抗最低,具有综合性能优异的碳纸。