PVB改性酚醛樹脂對PEMFC碳紙的影響

質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC)作為一種能長期持續供電、可方便攜帶和發電效率高的供電裝置，可用作固定發電站，也可用作移動電源，具有巨大的市場潛能。碳紙作為燃料電池擴散層的重要組成部分，擔負起支撐催化劑、透氣排水和充當集流體的作用，因此碳紙性能的好壞直接影響燃料電池的性能。

酚醛樹脂殘炭率高，常用作碳/碳（C/C）復合材料增密浸漬劑。但是酚醛樹脂與碳紙坯體的相容性差，在碳纖維上分布效果不佳，所以在浸漬后酚醛樹脂不能在碳纖維上形成良好的導電網絡結構和相界面。聚乙烯醇縮丁醛（PolyVinyl Butyral，PVB）不僅可以改善酚醛樹脂在碳紙上分布，而且可以提高碳纖維與基體間的界面結合強度。PVB分解溫度大約200℃，殘炭率僅約8%，PVB分解放出大量的氣體，在固化的酚醛樹脂中留下大量的孔隙，碳化后這些孔隙能夠在樹脂炭中保留。

碳紙制備

首先將PVB依次配制成0.02、0.04、0.06、0.08和0.10g/ml質量濃度的乙醇溶液；將14×14cm²碳紙坯體浸漬PVB溶液烘干后，再使用自行設計的設備浸漬0.05g/ml的酚醛樹脂溶液；然后置于80℃烘箱內干燥2h，在平板硫化機上疊層放置，固化溫度為170℃、模壓壓力為15MPa；最后2800℃高溫處理。由于其他工藝條件相同，PVB在碳化后的殘炭率極低，所以測得制備的碳紙密度均約在0.34g/cm³。

2.1 PVB對碳紙強度和柔韌度的影響

從圖1可以看出隨著PVB質量濃度的增加，碳紙的抗彎強度和抗拉強度均呈現出先增大后減小的趨勢。

隨著PVB質量濃度的增加，活性官能團增加，化學鍵合程度增強，基體與碳纖維相界面的結合程度增加。但隨PVB質量濃度超過一定限度，基體炭中孔的數目增多、尺寸增大，孔洞超過一定量時必然會引起基體炭的強度降低。因此PVB質量濃度過多時，必然使基體炭的強度降低。

2.2 PVB對碳紙透氣性的的影響

如圖2所示未添加PVB的碳紙孔隙率和透氣性分別為80.10%和3300ml·mm/(cm·h·mmAq)，隨著PVB質量濃度的增大，碳紙的孔隙率有所上升，透氣性略有下降。

圖2  PVB質量濃度對碳紙孔隙率和透氣性的影響

隨PVB質量濃度的增大，基體炭與碳纖維連接形成的網絡結構更加致密，碳紙表面孔隙的孔徑明顯變小，基體炭中小孔隙的數量大量增加。但在相同壓力下，由于孔壁與氣體間有黏滯力作用，在氣體通過碳紙時，擁有較多小孔碳紙上受到的阻力較大。因此雖然碳紙的孔隙率增加，但這些孔隙的孔徑較小，透氣性不佳。

2.3 PVB對碳紙導電性能的影響

圖3  PVB質量濃度對碳紙電阻率的影響

不同PVB質量濃度碳紙的平均電阻率如圖3所示，當PVB浸漬液質量濃度從0g/m1增加到0.04g/ml時，碳紙的平均電阻率從最初的12.63mΩ·cm下降到9.97mΩ·cm。當PVB浸漬液質量濃度從0.04g/ml增加到0.10g/ml，平均電阻率則呈現略上升趨勢。電阻率的降低，是由于碳紙中良好導電網絡結構的形成和相界面的改善所致。

由表1可知，隨著PVB質量濃度升高，碳紙的石墨化度逐漸降低，故當PVB的濃度>0.04g/ml時，碳紙的電阻率逐漸升高�；�體炭石墨化程度的降低，是由于PVB炭較酚醛樹脂炭難石墨化。

3結論

PVB與碳紙坯體碳纖維上的環氧樹脂和浸漬液中的酚醛樹脂反應，形成化學鍵合，碳化后改善碳纖維和基體炭相界面，抗彎強度增加，抗拉強度增加，電導穩定性提高，電阻率降低，柔韌性也較好。