588 工程科学学报，第43卷，第5期 基酯树脂、炭黑为原料，采用模压成型工艺制备复 度较小，具有耐高温、导电、导热性强及耐腐蚀等 合双极板，结果表明随着树脂含量增加，极板电导 特性，可加工成各种织物，其石墨微晶结构沿纤维 率下降，弯曲强度增强；随着炭黑含量增加，极板电 轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和 导率和弯曲强度均呈先增加后减小的趋势：双极板 模量.碳纤维作为主要导电填料与增强材料、树 的成型条件也会影响双极板的性能与表面形貌，选 脂制备复合双极板，多采用树脂浸渍层铺压制 择合适的压制温度，才能保证双极板内部及反应产 成型 生的气体及时排出，不在内部与表面形成气体通 Kim等I将浸渍过甲苯磺酸和酚醛树脂的平 道，避免双极板产生缺陷（如图3）.吴晴等B以乙 纹碳纤维层铺后再包覆一层石墨箔，使用热辊层 烯基树脂为基体、碳纤维预浸布为增强体制备复合 压机压制酚醛树脂/碳纤维复合双极板（如图4）， 双极板，研究表明固化剂含量越高，复合材料的交 双极板的拉伸强度达400MPa,比热压成型制备 联固化程度越好，树脂与固化剂的质量比为100：4 的双极板的拉伸强度高33%，表面包覆的石墨箔 时复合双极板的抗弯曲强度可达217.76MPa. 能有效降低双极板的接触电阻.Lee等B6将两层 浸渍过氰酸酯改性环氧树脂的碳毡堆叠压制复 合双极板，碳纤维暴露在表面，使双极板的面比 (a) 电阻(Area specific resistance,ASR)降至l5.5m2-cm2. 为了进一步提高复合双极板的力学性能，Leet和 Han)使用硝酸对碳纤维进行表面氧化处理，清 洗后在环氧硅烷/亿醇溶液中上浆，表面改性的碳 (b) 纤维表面环氧基团与固化剂之间形成强化学键， 断裂面中的碳纤维表面包覆着树脂涂层，比未改 图3复合双极板在不同压制温度下的表面图像.(a)70℃：(b) 性的碳纤维表面粗糙，复合双极板的断裂能因而 100℃国 增加，力学性能获得提高.张修平将N-(4-氨基- Fig.3 Surface images of composite bipolar plates at different pressing 苯基)-2-甲基-丙烯酰胺(APMA)接枝到碳纤维 temperatures:(a70℃，(b)100℃B (CF)表面形成乙烯基官能化的APMA-CFs,改 性碳纤维与乙烯基树脂之间形成共价键（如图5）， 2碳材料增强复合双极板 界面黏结强度增加，界面剪切强度较未改性碳纤 2.1碳纤维增强复合双极板 维的界面剪切强度提高90.53%，弯曲强度提高 碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维，密 19.40% Hot rolling process Compression molding (a)Hot-roller Rolling speed:5 mm's Mold Diameter of rollers:50 mm Backup plate(1 mm Al Specimens Specimens +25 um PTFE film) 10 MPa S MPa 图4酚醛树脂/碳纤维复合双极板的制造方法.(a)热轧工艺：(b)压缩成型) Fig.4 Manufacturing method of composite bipolar plates:(a)hot rolling process;(b)compression molding 使双极板表面富含导电材料，如包覆一层石 面加工气体流道，因此，碳纤维更适合作辅助导电 墨箔或在表面裸露碳纤维，可降低双极板的表面 填料，或作为增强填料少量添加到双极板复合材 接触电阻.对碳纤维表面接枝官能团或使用碳 料中 纤维织物，可增强双极板的力学性能.当碳纤维被 2.2炭黑增强复合双极板 加工成织物时，制备的双极板的抗弯强度普遍高 炭黑是一种无定形碳，微晶结构碳原子排列 于美国能源部(DOE)的标准(25MPa),但是层状 类似于石墨，导电性能稳定，表面积范围大(10~ 结构不利于层间电子的传导，贯穿面导电性还需 3000m2g),分散性能极佳，常用作填充型导电填 进一步优化.另外，碳纤维织物不利于在双极板表 料0，炭黑粒子组成炭黑聚集体可形成链状导电基酯树脂、炭黑为原料，采用模压成型工艺制备复 合双极板，结果表明随着树脂含量增加，极板电导 率下降，弯曲强度增强；随着炭黑含量增加，极板电 导率和弯曲强度均呈先增加后减小的趋势；双极板 的成型条件也会影响双极板的性能与表面形貌，选 择合适的压制温度，才能保证双极板内部及反应产 生的气体及时排出，不在内部与表面形成气体通 道，避免双极板产生缺陷（如图 3）. 吴晴等[34] 以乙 烯基树脂为基体、碳纤维预浸布为增强体制备复合 双极板，研究表明固化剂含量越高，复合材料的交 联固化程度越好，树脂与固化剂的质量比为 100∶4 时复合双极板的抗弯曲强度可达 217.76 MPa. (a) (b) 图 3    复合双极板在不同压制温度下的表面图像. （a）70 ℃ ；（b） 100 ℃[33] Fig.3    Surface images of composite bipolar plates at different pressing temperatures: (a) 70 ℃; (b) 100 ℃[33] 2    碳材料增强复合双极板 2.1    碳纤维增强复合双极板 碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维，密 度较小，具有耐高温、导电、导热性强及耐腐蚀等 特性，可加工成各种织物，其石墨微晶结构沿纤维 轴择优取向，因此沿纤维轴方向有很高的强度和 模量. 碳纤维作为主要导电填料与增强材料、树 脂制备复合双极板，多采用树脂浸渍层铺压制 成型. Kim 等[35] 将浸渍过甲苯磺酸和酚醛树脂的平 纹碳纤维层铺后再包覆一层石墨箔，使用热辊层 压机压制酚醛树脂/碳纤维复合双极板（如图 4） ， 双极板的拉伸强度达 400 MPa，比热压成型制备 的双极板的拉伸强度高 33%，表面包覆的石墨箔 能有效降低双极板的接触电阻. Lee 等[36] 将两层 浸渍过氰酸酯改性环氧树脂的碳毡堆叠压制复 合双极板，碳纤维暴露在表面，使双极板的面比 电阻（Area specific resistance, ASR）降至 15.5 mΩ·cm2 . 为了进一步提高复合双极板的力学性能，Leet 和 Han[37] 使用硝酸对碳纤维进行表面氧化处理，清 洗后在环氧硅烷/乙醇溶液中上浆，表面改性的碳 纤维表面环氧基团与固化剂之间形成强化学键， 断裂面中的碳纤维表面包覆着树脂涂层，比未改 性的碳纤维表面粗糙，复合双极板的断裂能因而 增加，力学性能获得提高. 张修平[38] 将 N-(4-氨基– 苯基)-2-甲基–丙烯酰胺（ APMA）接枝到碳纤维 （CF）表面形成乙烯基官能化的 APMA–CFs，改 性碳纤维与乙烯基树脂之间形成共价键（如图 5）， 界面黏结强度增加，界面剪切强度较未改性碳纤 维的界面剪切强度提高 90.53%，弯曲强度提高 19.40%. Hot rolling process Hot-roller Specimens 5 MPa (a) (b) Diameter of rollers: 50 mm Rolling speed: 5 mm·s−1 Backup plate (1 mm Al +25 μm PTFE film) Compression molding Mold Specimens 10 MPa 图 4    酚醛树脂/碳纤维复合双极板的制造方法. （a）热轧工艺；（b）压缩成型[35] Fig.4    Manufacturing method of composite bipolar plates: (a) hot rolling process; (b) compression molding[35] 使双极板表面富含导电材料，如包覆一层石 墨箔或在表面裸露碳纤维，可降低双极板的表面 接触电阻[39] . 对碳纤维表面接枝官能团或使用碳 纤维织物，可增强双极板的力学性能. 当碳纤维被 加工成织物时，制备的双极板的抗弯强度普遍高 于美国能源部（DOE）的标准（25 MPa），但是层状 结构不利于层间电子的传导，贯穿面导电性还需 进一步优化. 另外，碳纤维织物不利于在双极板表 面加工气体流道，因此，碳纤维更适合作辅助导电 填料，或作为增强填料少量添加到双极板复合材 料中. 2.2    炭黑增强复合双极板 炭黑是一种无定形碳，微晶结构碳原子排列 类似于石墨，导电性能稳定，表面积范围大（10～ 3000 m 2 ·g−1），分散性能极佳，常用作填充型导电填 料[40] ，炭黑粒子组成炭黑聚集体可形成链状导电 · 588 · 工程科学学报，第 43 卷，第 5 期