1、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 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 10 m。 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
2、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 10 m6-8。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
3、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
4、 300 m）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 9 X9 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 80 100。为了给纸张覆盖 PTFE， 9 X9 的样品缓慢的降落于 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
5、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 3 4%的范围内 （图2） 与 PTFE 考虑到的负载范围 0 200%作比较。 PTFE 质量百分比计算方法是（ mhydr munhydr）
6、/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 9 cmx9 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
7、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； 20SLPM.PTFE； 180wt%.样品区：3.14cm2 2.4 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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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） 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
14、 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： 3.8cm2 3.3 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%质量分数的聚四氟乙烯。随着聚四氟乙烯质
15、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
16、的并且在读数中不能采取未经处理的样品，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.
17、%；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 540bar 4 结论 这项研究是指为背衬在聚合物电解质燃料电池
18、中使用时，以阐明不同聚四氟乙烯负荷和烧结时间对书写纸的主要影响。我们都知道的事实，即所报告的效应的量纸和纸之间不同，由于不同的孔隙率和不同的碳纤维的尺寸。但总的趋势应该是在所有情况下进行的相似的实验得到的影响的程度的概念。也许这项研究最明显的是疏水性和导电性之间的权衡。样品制备更高 PTFE 含量，或两者的组合中更高的烧结温度导致更好的疏水性。但在所有这些电导率遭受的情况下， PTFE含量和烧结温度导电性都增加可 能会导致较差的导电性负相关。对于第三个属性观察 -气体流经书写纸的纸平面的是扩散性压降 -PTFE 含量和烧结温度相关是相反的。它与扩散烧结温度呈正相关，但与 PTFE 含量呈负相关。所以扩散在疏水性和导电性之间的权衡的中部可以直接捕获。没有建议可以通过这一研究作出关于实现一个最佳的纸张使用对于燃料电池的使用更为重要的这些权衡。这必须由现有的燃料电池硬件个体优化分析来完成。包含气体分配结构，所述催化剂层，特别是使用的书写纸的性质。
