PVB改性酚醛树脂对PEMFC碳纸的影响

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEMFC)作为一种能长期持续供电、可方便携带和发电效率高的供电装置，可用作固定发电站，也可用作移动电源，具有巨大的市场潜能。碳纸作为燃料电池扩散层的重要组成部分，担负起支撑催化剂、透气排水和充当集流体的作用，因此碳纸性能的好坏直接影响燃料电池的性能。

酚醛树脂残炭率高，常用作碳/碳（C/C）复合材料增密浸渍剂。但是酚醛树脂与碳纸坯体的相容性差，在碳纤维上分布效果不佳，所以在浸渍后酚醛树脂不能在碳纤维上形成良好的导电网络结构和相界面。聚乙烯醇缩丁醛（PolyVinyl Butyral，PVB）不仅可以改善酚醛树脂在碳纸上分布，而且可以提高碳纤维与基体间的界面结合强度。PVB分解温度大约200℃，残炭率仅约8%，PVB分解放出大量的气体，在固化的酚醛树脂中留下大量的孔隙，碳化后这些孔隙能够在树脂炭中保留。

碳纸制备

首先将PVB依次配制成0.02、0.04、0.06、0.08和0.10g/ml质量浓度的乙醇溶液；将14×14cm²碳纸坯体浸渍PVB溶液烘干后，再使用自行设计的设备浸渍0.05g/ml的酚醛树脂溶液；然后置于80℃烘箱内干燥2h，在平板硫化机上叠层放置，固化温度为170℃、模压压力为15MPa；最后2800℃高温处理。由于其他工艺条件相同，PVB在碳化后的残炭率极低，所以测得制备的碳纸密度均约在0.34g/cm³。

2.1 PVB对碳纸强度和柔韧度的影响

从图1可以看出随着PVB质量浓度的增加，碳纸的抗弯强度和抗拉强度均呈现出先增大后减小的趋势。

随着PVB质量浓度的增加，活性官能团增加，化学键合程度增强，基体与碳纤维相界面的结合程度增加。但随PVB质量浓度超过一定限度，基体炭中孔的数目增多、尺寸增大，孔洞超过一定量时必然会引起基体炭的强度降低。因此PVB质量浓度过多时，必然使基体炭的强度降低。

2.2 PVB对碳纸透气性的的影响

如图2所示未添加PVB的碳纸孔隙率和透气性分别为80.10%和3300ml·mm/(cm·h·mmAq)，随着PVB质量浓度的增大，碳纸的孔隙率有所上升，透气性略有下降。

图2  PVB质量浓度对碳纸孔隙率和透气性的影响

随PVB质量浓度的增大，基体炭与碳纤维连接形成的网络结构更加致密，碳纸表面孔隙的孔径明显变小，基体炭中小孔隙的数量大量增加。但在相同压力下，由于孔壁与气体间有黏滞力作用，在气体通过碳纸时，拥有较多小孔碳纸上受到的阻力较大。因此虽然碳纸的孔隙率增加，但这些孔隙的孔径较小，透气性不佳。

2.3 PVB对碳纸导电性能的影响

图3  PVB质量浓度对碳纸电阻率的影响

不同PVB质量浓度碳纸的平均电阻率如图3所示，当PVB浸渍液质量浓度从0g/m1增加到0.04g/ml时，碳纸的平均电阻率从最初的12.63mΩ·cm下降到9.97mΩ·cm。当PVB浸渍液质量浓度从0.04g/ml增加到0.10g/ml，平均电阻率则呈现略上升趋势。电阻率的降低，是由于碳纸中良好导电网络结构的形成和相界面的改善所致。

由表1可知，随着PVB质量浓度升高，碳纸的石墨化度逐渐降低，故当PVB的浓度>0.04g/ml时，碳纸的电阻率逐渐升高。基体炭石墨化程度的降低，是由于PVB炭较酚醛树脂炭难石墨化。

3结论

PVB与碳纸坯体碳纤维上的环氧树脂和浸渍液中的酚醛树脂反应，形成化学键合，碳化后改善碳纤维和基体炭相界面，抗弯强度增加，抗拉强度增加，电导稳定性提高，电阻率降低，柔韧性也较好。