基于GA-BPNN算法的碳纸原纸性能指标建模预测研究

本研究通过改变碳纤维长度、碳纤维占比、分散剂用量等工艺参数,制备不同碳纸原纸,探究不同工艺参数对其抗张强度、孔隙率、透气性、电阻率的影响,采用遗传算法改进反向传播神经网络算法(GA-BPNN算法),构建了碳纸原纸性能预测模型。结果表明,碳纤维长度与碳纸原纸抗张强度、孔隙率、透气性呈正相关,与电阻率呈负相关;碳纤维占比与碳纸原纸抗张强度呈负相关,与孔隙率、透气性、电阻率呈正相关;分散剂用量与碳纸原纸抗张强度、电阻率呈正相关,与孔隙率、透气性呈负相关;碳纸原纸抗张强度、孔隙率、透气性、电阻率预测模型平均相对误差(MRE)分别为5.49%、5.75%、5.21%、5.54%,预测模型MRE均小于10%,与实验得到的工艺参数对碳纸原纸性能的关系趋势一致。

浸渍热压工艺对碳纸结构性能的影响及机理研究

本研究通过探究碳纸浸渍和固化过程中酚醛树脂的分布及形态结构,研究浸渍热压工艺对碳纸性能的影响。结果表明,当浸渍时间为4 min,浸渍液浓度为11%时,预固化后碳纸中所含的树脂最多,浸渍量可达154.9%。当热压温度为160℃,热压时间为20 min,热压压力为3.0 MPa时,制备的碳纸热压纸性能最好,电阻率仅27.1 mΩ·cm,抗张强度达103.9 N/cm。

匀度指数对碳纸原纸强度与孔隙特性的影响研究

本研究以碳纤维为原料,通过改变分散剂种类制备具有不同匀度性能的碳纸原纸,考察了碳纤维浆料的分散稳定性及其均匀性变化规律,探讨了匀度指数与透气度、抗张强度、孔隙率等指标之间的关系。结果表明,与单一APAM、TOCNs和PU分散剂相比,质量分数0.1%APAM和1.0%PU复合的分散剂体系制备的碳纤维浆料分散稳定性和均匀性得到改善,该复合分散剂制备碳纸原纸匀度指数最好,为10.32。随着匀度指数的减小,碳纸原纸厚度偏差从21.76 mm降至0.96 mm,抗张强度从0.15 kN/m增加到1.68 kN/m,孔隙率从93.5%下降到90.5%,透气度从1 658.9 L/(m^(2)·s)下降到1 171.5 L/(m^(2)·s)。

质子交换膜燃料电池中碳纸微孔层设计的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种极具潜力的电化学装置,具有广泛的应用前景,但有效的水管理方法还需探索。不合适的水负荷会引起各种问题,包括材料的降解和反应物传质受限等,损害电池的长期耐用性。在气体扩散层(GDL)中引入微孔层(MPL)是改善水管理能力和性能的有效方式。本文综述了以碳纸为大孔底物,近年来MPL结构和材料设计方面的研究进展,展望MPL的未来研究方向,对开展提高电池性能的研究具有重要意义。

原纤化PAN纤维打浆度和碳纤维含量对碳纸性能的影响

本研究以原纤化聚丙烯腈(PAN)纤维与PAN碳纤维(简称碳纤维)为原料,通过湿法造纸成形工艺、碳化处理,制备了复合碳纸,并探索打浆度和碳纤维含量对碳纸性能的影响。结果表明,随着碳纤维含量降低,碳纸的拉伸强度增加;随着PAN纤维的原纤化程度(打浆度)升高,碳纸的拉伸强度增加。原纤化PAN纤维和碳纤维所制碳纸拥有优异的透气性,并同时具备良好的柔韧性和拉伸强度,综合性能最好的碳纸透气度为465.4 mm/s,拉伸强度为2.0 MPa。

碳纤维长度对三层梯度孔碳纸性能的影响研究

为研究不同长度的碳纤维配抄制备的梯度孔碳纸性能,本研究选取3种长度(2、4和8 mm)的碳纤维原料,探讨不同分散剂类型和纤维长度配比对单层碳纸和三层梯度孔碳纸的匀度、电阻率、抗张强度、孔隙率和透气度的影响。结果表明,卡波姆(Carbomer)作为分散剂得到的碳纤维分散效果最佳,分散稳定性指数为4.04。匀度指数在10~13之间的单层碳纸性能较好,其电阻率为90 mΩ·cm,抗张强度为0.250 kN/m,孔隙率为92%,透气度为1 200 L/(m^(2)·s)。与单层碳纸相比,三层梯度孔碳纸的抗张强度(0.410 kN/m)和透气度(1 230 L/(m^(2)·s))有所增加,且碳纤维长度配比对三层梯度孔碳纸的孔隙形貌影响显著;长度4和8 mm的碳纤维配抄制备的三层梯度孔碳纸的性能优于其他2组(2和4 mm配抄及2和8 mm配抄),其电阻率低至19.53 mΩ·cm,孔隙率为92%。

纳米纤维素改性酚醛树脂对碳纸电化学性能的影响研究

本研究探究了以纳米纤维素为酚醛树脂改性剂和成孔剂制备的质子交换膜燃料电池(PEMFCs)用碳纸性能,分析了纳米纤维素添加量对碳纸电阻率、透气性及机械强度等指标的影响,并测试了改性碳纸制备的电池性能。结果表明,与未改性碳纸相比,纳米纤维素添加量为0.20 g的改性碳纸电阻率降低了26.35%,其制备的PEMFCs功率密度峰值提高了81.56%,为325 mW/cm2,纳米纤维素改性酚醛树脂明显实现了碳纸与燃料电池性能的整体提升。

石墨化温度对质子交换膜燃料电池用碳纸性能的影响

以聚丙烯腈碳纤维和聚乙烯醇为原料,将湿法造纸抄造的碳纸原纸用酚醛树脂浸渍热压固化后进行碳化石墨化,制备了石墨化温度不同的燃料电池用碳纸样品,分析了碳纸的拉伸强度、透气性、水平电阻率等性能指标,并通过X射线衍射仪分析了石墨化温度不同的碳纸样品的石墨结构,探究了石墨化温度对燃料电池用碳纸性能的影响,确定了实验条件下碳纸性能较优且成本较低的最佳石墨化温度。实验结果表明:在2000~2800℃阶段,2400℃条件下制备的碳纸综合性能最佳,比2800℃制备的碳纸可节省电力能源;石墨化温度为2400℃时,碳纸的拉伸强度为22.9MPa、水平电阻率为3.935mΩ·cm、石墨化度为68.68%。

碳纸对燃料电池自增湿性能的影响

使用 TGP-H-0 2 8(0 .2 8mm) ,TGP-H-0 60 (0 .1 9mm) ,TGP-H-0 3 0 (0 .1 1 mm)等 3种 Toray碳纸制备膜电极 ,将组装燃料电池进行极化曲线与交流阻抗分析发现 ,厚碳纸 TGP-H-0 2 8对自增湿发电性能略为有利 ,其最大功率密度比 TGP-H-0 3 0薄碳纸高 0 .0 5 W/cm2 左右 ;用聚四氟乙烯乳液疏水处理 Toray TGP-H-0 60碳纸 ,制备的 MEA的自增湿电性能随着聚四氟乙烯质量分数 (2 0 %～ 40 % )的升高而增大 ,最大功率密度升高至 0 .2 5 W/cm2左右 .当聚四氟乙烯质量分数继续升高到 60 %时 ,电性能开始下降 ,并比质量分数为40 %的聚四氟乙烯的电性能低 .通过压汞仪。

基于碳纸电极电化学快速合成聚苯胺纳米纤维

利用碳纸电极,采用循环伏安法、恒电流法和恒电位法等电化学聚合法快速合成了高氯酸掺杂聚苯胺纳米纤维.利用电子显微镜、红外光谱和四探针测定仪等对聚苯胺的微观形貌结构、掺杂度和电导率进行了研究.用循环伏安法对聚苯胺的电化学特征进行了分析.研究发现,3种方法合成的聚苯胺均为纳米纤维状结构,长度达3μm,直径为50-150 nm.其中,循环伏安法合成的聚苯胺纳米纤维的均一性和电导率均优于其它2种方法,其电导率高达5.97 S/cm.另外,聚苯胺合成速率顺序为恒电流法〉循环伏安法〉恒电位法,且恒电流法合成的聚苯胺纳米纤维电极材料的放电比容量最大（578 F/g）,电容性能最好.

钒液流电池用碳纸电极改性的研究

采用红外光谱、单点比表面积检测手段研究了碳纸435℃热处理前后的表面结构和比表面积的变化.并将这类碳纸用作全钒液流氧化还原电池电极材料,对其电化学性能进行了研究.结果表明:热处理10h的碳纸表面有-COOH官能团生成,比表面积显著增大,其电化学活性增强.热处理后的碳纸作为电极组装成的电池在电流密度50mA/cm2时有良好的充放电性能,平均电流和电压效率达到95%和89%.

钒液流电池用碳纸电极改性的研究

采用红外光谱和扫描电镜等手段研究了浓硫酸处理前、后碳纸的表面结构和形貌的变化。并将这类碳纸用作全钒液流氧化还原电池电极材料,对其电化学性能进行了详细研究。结果表明通过酸处理,碳纸表面有-COOH官能团生成,其电化学活性增强。酸处理后的碳纸电极组装成的电池在电流密度20 mA.cm-2时有良好充放电性能,平均电流和电压效率达到95%和82%。

碳纤维的改性及气体扩散层碳纸性能的研究

研究了氧化-偶联改性处理对碳纤维的表面形貌、电荷特性、分散性和成纸导电性的影响,并考察了碳纤维配比、碳纤维长度和炭黑加填对碳纸的透气性和孔径分布的影响。结果表明,KClO_3/H_2SO_4预氧化处理对纤维表面产生了刻蚀作用,在结晶缺陷部位产生凹坑,形成轴向沟槽。KH-550偶联剂以微粒形态粘附于沟槽中,碳纤维浆料的zeta绝对值明显增加,碳纤维间的静电斥力加强,分散性得到改善,碳纸的导电性也得到提高。碳纤维长度和炭黑加填能有效调节碳纸的透气性和孔径分布。

钒(Ⅳ／Ⅴ)电对在碳纸电极上的反应机理研究

采用循环伏安、极化曲线和交流阻抗技术研究了在0.8mol·L-1VOSO4+3.0mol·L-1H2SO4中,V(Ⅳ/Ⅴ)电对在碳纸电极上的反应机理及可能的速度控制步骤。研究结果表明:V(Ⅳ/Ⅴ)电对在碳纸电极上的反应属准可逆过程,且氧化过程包含有后置化学转化步骤,计算得到VO2+的扩散系数为4.5×10-5cm2·s-1。理论计算得到了电化学步骤和后置化学转化过程分别为控制步骤时的Tafel斜率值为0.12和0.06,实验得到的Tafel斜率值为0.127,交换电流密度为6.7×10-4mA·cm-2。表明电极氧化过程受电化学过程控制,不同极化电位下的交流阻抗图谱拟合结果表明,电化学反应阻抗值远大于其他阻抗值,说明电化学反应可能是电极反应的控制步骤,与实验得到的极化曲线分析结果相一致。

热处理碳纸电极上VO^(2+)/(VO_2)^+氧化还原动力学

在不同温度下热氧化处理碳纸,用循环伏安、极化曲线和交流阻抗方法研究碳纸电极上VO2+/VO2+氧化还原动力学.循环伏安和极化曲线结果表明,随着热处理温度的升高,VO2+/VO2+氧化还原反应的速率常数及交换电流增大.建立了VO2+/VO2+氧化还原反应的交流阻抗等效电路模型.拟合结果表明,热处理增大了碳纸电极表面的双电层电容,减小了VO2+/VO2+氧化还原反应的电荷转移电阻.用循环伏安和交流阻抗两种方法求得的VO2+和VO2+的扩散系数基本相同,表明所构建的交流阻抗等效电路模型与电极反应过程相符合.

质子交换膜燃料电池专用碳纸的制备及性能测试

采用湿法造纸技术制备质子交换膜燃料电池电极扩散层专用碳纸材料,考察了影响专用碳纸性能的主要因素。研究结果表明：分散剂、粘合剂和纤维长度等对碳纸物性具有较大影响。以3M的NaOH处理碳纸的基体材料,控制打浆度20°SR,按比例加入自制功能性分散剂,在优化工艺条件下,制备的碳纸物性基本和日本东丽公司产品(Toray碳纸)物性相同。以自制的碳纸和Toray碳纸为电极扩散层基体材料组装成电池,放电性能测试表明,自制碳纸是一种较为理想的燃料电池电极扩散层基体材料。

PVB改性酚醛树脂对PEMFC碳纸的影响

采用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)对酚醛树脂进行改性,并制备了质子交换膜燃料电池(PEMFC)用碳纸,研究PVB浓度对碳纸性能的影响。结果表明,PVB的引入使树脂炭与碳纤维的界面结合强度得到改善,随PVB浓度的增大,碳纸的抗弯和抗拉强度均呈现先增大后降低的趋势;碳纸的柔韧性及导电性均有所提高,且密度和厚度均控制在较低的范围内;透气性较稳定,维持在3 026~3 300 ml·mm/(cm·h·mm Aq)的范围内。采用浓度为0.06 g/ml的PVB处理后的碳纸,其抗弯、抗拉强度和电阻率分别为52.28 MPa、30.25 MPa和10.11 mΩ·cm。

全钒液流电池用碳纸电极掺氮改性的研究（英文）

采用在氨气氛下加热(NCP-600:600℃下处理,NCP-900:900℃下处理)对全钒液流电池碳纸电极进行掺氮改性处理。通过此改性处理,含氮官能团成功地引入到碳纸表面。掺氮处理改善了碳纸表面的亲水性,NCP-900的接触角相比于空白碳纸由120.5°降到99.7°,且对表面形貌没有明显影响,不会影响其机械性能。同时,掺氮处理能明显地增强碳纸的电化学活性,循环伏安测试中,NCP-900的V(IV)/V(V)电对氧化峰为92.1 mA,远高于空白碳纸(68.9 mA)。由NCP-900和空白碳纸组装成电池考察了其充放电性能,在20 m A/cm2下进行充放电,由NCP-900组装的电池其能量效率为83.73%,较空白电池高2.59%。掺氮改性处理提高碳纸的电化学性能主要是由于钒电对活性位点的增加和亲水性能的增强。

热处理碳纸的氧化过程及其对钒离子的电催化

在空气气氛下对碳纸进行热处理,用扫描电镜、拉曼光谱、红外光谱、循环伏安、电池充放电实验研究了热处理碳纸的表面状态及其对钒离子的电催化活性。实验结果表明,适当温度下对碳纸的热处理,能改善碳纸上碳纤维的表面状态,增加其表面含氧活性官能团的含量。经过500℃处理后的碳纸表面的含氧官能团数量最多。碳纸电极上这些含氧官能团特别是-OH的含量的提高,能加快钒电对电荷传递反应的发生,从而改善对VO2+/VO2+和V(Ⅱ)/V(Ⅲ)电对的催化性能。碳纸经500℃处理后,其电池在10 mA/cm2的充放电条件下,电压效率可达83.6%,库仑效率能达到到77.9%。

石墨/酚醛树脂复合板与碳纸间接触电阻

应用模压工艺制备了质子交换膜燃料电池(PEMFC)用石墨/酚醛树脂(PF)复合板.通过四电极法测量了复合板与碳纸间的接触电阻.考察了接触压力、PF树脂含量及模压工艺条件对接触电阻的影响.结果表明,接触压力和PF树脂含量是对接触电阻有较大程度影响的两个重要因素.接触压力的增大导致接触电阻迅速减小,而随着PF树脂含量的增加,接触电阻有着非常快的增加趋势.模压压力对接触电阻已有一定程度的影响,但其影响幅度不如接触压力和树脂含量那么大.随着模压压力的增大,接触电阻的增加趋势比较缓慢.模压时间和模压温度对接触电阻基本没有影响.