孔徑梯度對炭紙中水傳輸?shù)挠绊?/h1>
2021-02-18 03:49瞿同慶
合成技術(shù)及應(yīng)用 2021年4期
瞿同慶，王 彪
(東華大學材料科學與工程學院，纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620)
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種清潔的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，具有轉(zhuǎn)換效率高，噪音小，可低溫操作，對環(huán)境友好等特點[1]。氣體擴散層是PEMFC中電極的基本組成元件[2-4]，其中炭紙的表面處理和孔結(jié)構(gòu)對水傳輸具有重要影響[4-5]。Bevers等[6]研究了聚四氟乙烯(PTFE)處理對炭紙內(nèi)部水飽和度的影響，結(jié)果表明水的飽和度隨著PTFE含量的增加而降低。除此之外，通常在炭紙與催化劑層之間添加微孔層以控制其孔隙結(jié)構(gòu)[3, 7-8]。Tabe 等[7]發(fā)現(xiàn)微孔層(MPL)由于孔徑較小并且與催化劑層的接觸更為緊密，從而可以減少兩者界面處的積水，防止水淹現(xiàn)象的發(fā)生。近幾年有研究發(fā)現(xiàn)，與均勻材料相比，具有孔徑梯度的炭紙可以產(chǎn)生毛細管壓力差，更有利于液態(tài)水的去除，改善燃料電池的水管理能力[9]。
然而由于炭紙內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，影響水傳輸?shù)囊蛩剌^多，目前的研究主要集中在炭紙表面處理和孔徑大小對水傳輸?shù)挠绊?，關(guān)于孔徑梯度對水傳輸?shù)难芯抗ぷ骱苌佟Ｒ虼?，本文將利用不同長徑比碳纖維沉降速度的差異來構(gòu)筑具有孔徑梯度的炭紙，并通過液態(tài)水垂直滲透實驗來研究水在炭紙內(nèi)部孔隙中的流動，探究孔徑梯度對水在炭紙內(nèi)部傳輸?shù)挠绊憽?/p>
1 試 驗
1.1 原料
碳纖維,直徑為7 μm，長度分別為3 mm(CF3)、6 mm(CF6)、10 mm(CF10)，上海石化公司；聚氧化乙烯(PEO)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；聚酰亞胺薄膜(PI膜),厚度為0.025 mm，廣州市北龍電子有限公司；硅酮脫模劑,744硅酮，HIRI海聯(lián)。
1.2 設(shè)備
場發(fā)射掃描電鏡，SU8010型，日本日立株式會社；接觸角測量儀，OCA40Mircro型，美國Data physic；微濾膜孔徑分析儀，PSDA-30M型，南京高謙功能材料科技有限公司。
1.3 具有孔徑梯度炭紙的制備
采用濕法抄紙工藝，將CF3(長徑比為428)，CF6(長徑比為857)和CF10(長徑比為1 428)按照一定的比例加入分散劑溶液中，經(jīng)過高速疏解使碳纖維分散完全，通過抄紙機使不同長徑比的碳纖維按照不同沉降速率進行沉降，烘干后得到法向具有孔徑梯度的碳纖維原紙，表1 為炭紙中各碳纖維的組成比例。具體炭紙制備工藝見王炯的論文《燃料電池用碳紙的制備和表征》[10]。
表1 炭紙中各碳纖維的組成比例
1.4 炭紙的結(jié)構(gòu)表征與性能測試
微觀形態(tài)：采用場發(fā)射掃描電鏡對炭紙的表面微觀形態(tài)進行表征。測試條件：加速電壓為0.5～30 kV；放大倍數(shù)為400。
表面潤濕性：使用接觸角測量儀測試炭紙樣品的表面潤濕性。測試條件：水滴體積為5 μL；同一樣品選取不同位置測試5次后取平均值。
孔徑：采用微濾膜孔徑分析儀對炭紙進行孔徑測試。測試條件：采用“先濕后干”的測試方法，浸潤劑為無水乙醇，氣體最大吹掃流量為15 L/min。
1.5 炭紙的水傳輸行為
如圖1所示，搭建了一種與Gauthier[2]文章中類似的實驗裝置來探索垂直于炭紙方向的水傳輸情況。將炭紙裁剪成3 cm×3 cm，并置于兩個帶有圓柱狀腔體的丙烯酸樹脂模塊中間，用硅膠墊片和螺絲進行密封固定。其中一個腔體充滿液態(tài)水，并通過tygon軟管與一蓄水池連接。另一個腔體與大氣相通，并置于電子天平正上方。使炭紙孔徑較小的一面與液態(tài)水接觸，炭紙孔徑較大的一面暴露在大氣中，從而使液態(tài)水先流經(jīng)小孔再流向大孔。將燒杯置于天平秤盤上，盛接在一定水壓下穿過炭紙的液態(tài)水。空腔的直徑為2.5 cm，即炭紙的有效測試面積約為5 cm2。炭紙在測試之前置于烘箱中，60 ℃條件下干燥5 h左右。
圖1 用于水傳輸測試的實驗系統(tǒng)
測試過程中，通過改變蓄水池中的水面高度來調(diào)整施加在炭紙上的靜水壓力。液態(tài)水面的高度每經(jīng)過1 min升高1 cm(約100 Pa)，直到第一顆水滴突破炭紙滴落到天平上時，記錄此時的靜態(tài)水壓為突破壓力。然后保持此壓力并記錄水流量，測試時間為1 min。此后，繼續(xù)以100 Pa的壓力梯度不斷升高壓力，并保持壓力記錄水流量。在炭紙下方(與大氣相通的一面)，我們可以直接用肉眼觀察到水滴數(shù)量并進行記錄，實驗全程由攝像機拍下。
2 結(jié)果與討論
2.1 炭紙中孔徑梯度的構(gòu)筑
將一定質(zhì)量的CF3、CF6和CF10加入分散劑溶液中，經(jīng)過一定時間的高速疏解使碳纖維分散完全，將含有碳纖維的漿液倒入高度70 cm的容器中，觀察相同時間內(nèi)碳纖維的沉降情況，如圖2所示。從圖2中可以看到CF3優(yōu)先發(fā)生沉降，20 min左右沉降完全，CF10沉降速率較慢，30 min才沉降完全，CF3的沉降速率是CF10的1.5倍。從圖2(f)中可以看出，由于CF3長徑比較小，堆疊會更為緊密，從而在炭紙中形成的孔徑較小，而CF10長徑比較大，堆疊較為松散，在炭紙中形成的孔徑也較大。由于分散劑溶液的濃度和黏度較大，因此碳纖維在其中整體的沉降速率較慢。在實際濕法抄紙過程中，分散劑的濃度和黏度變小，碳纖維整體的沉降速率會變大，但仍遵循上述沉降規(guī)律，最終形成自上而下孔徑依次減小的碳纖維原紙。
圖2 不同長徑比碳纖維沉降速率圖a)：機械攪拌分散后;b)：靜置5 min;c)：靜置10 min;d)：靜置15 min; e)：靜置20 min;f)：靜置30 min；1#，2#，3#碳纖維的長度分別為3 mm, 6 mm,10 mm
2.2 炭紙的微觀結(jié)構(gòu)
圖3為具有孔徑梯度炭紙的SEM圖。從圖3中可以看出，炭紙頂部較為松散，形成的孔徑較大，底部結(jié)構(gòu)較為致密，形成的孔徑較小。除此之外，還可以采用碳纖維端頭數(shù)量來佐證。從圖3(a1)和3(a2)中可以看出，該視場下，炭紙頂部端頭數(shù)量為9，底部的端頭數(shù)為16。由此證明，隨著長徑比的減少，炭紙單位面積下的端頭數(shù)量增加，即碳纖維根數(shù)增加，從而形成的孔徑也較小。其他樣品的SEM圖均符合這一規(guī)律，因此，炭紙形成自上而下孔徑依次減小的孔徑梯度。
2.3 炭紙的潤濕性
圖4為各炭紙的接觸角測試結(jié)果。從圖4可以看出，炭紙的表面接觸角也會受到其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)葛文凱等[11]有關(guān)液滴在多孔介質(zhì)上的鋪展?jié)B透研究，當多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙較大時，液滴更容易滲透到介質(zhì)內(nèi)部。測試結(jié)果表明，與底部相比，混抄炭紙頂部的接觸角較小，說明其頂部的孔隙較大，盡管測試結(jié)果相差較小，存在一定的測試誤差，但其接觸角變化規(guī)律仍然反映了炭紙具有一定的梯度結(jié)構(gòu)。
2.4 炭紙垂直向的水傳輸行為
圖5為在一定壓力下，液態(tài)水通過炭紙的平均質(zhì)量流速。升壓曲線為干燥后的炭紙在壓力作用下的水流量情況，降壓曲線為同一炭紙，經(jīng)過水流實驗之后潤濕樣品的水流量情況；豎線用于分割觀察到的突破炭紙的水滴數(shù)量。水滲透炭紙的整個過程是相近的，但是突破壓力和水流量的差別反映了樣品孔徑結(jié)構(gòu)的差異。表2總結(jié)了水突破五種炭紙所需壓力和突破時的水流量。水突破樣品CP-R1所需壓力較樣品CP-CF6由5 400 Pa降低至5 100 Pa，并且水流量由1.98 mg/s增加至12.25 mg/s。然而隨著CF3含量的增多，突破壓力會逐漸上升，直到CF3的含量為40%時，水突破混抄炭紙所需壓力大于均勻炭紙。
我們可以通過Young-Laplace方程(如式(1)所示)來解釋上述現(xiàn)象[12]：
(1)
式中pc為毛細管阻力，Pa；σ為水表面張力，10-3N/m；θ為液態(tài)水與測試樣品的接觸角；d為毛細管直徑，μm。
圖5 液態(tài)水通過炭紙的滲透曲線
從式(1)中我們可以看出，孔徑大小與毛細管阻力成反比，這說明孔結(jié)構(gòu)在水的傳輸過程中起著主導(dǎo)作用。因此，我們還表征了樣品的孔徑分布，如圖6所示。
圖6 炭紙的孔徑分布
表2 突破壓力和突破時的水流量
從圖6可以看出，混抄炭紙的孔徑隨著CF3含量的增多而呈現(xiàn)下降趨勢。由公式(1)我們可以看出，當孔徑減小時，毛細管阻力會增大，從而導(dǎo)致水突破炭紙所需壓力也隨之增大。因此，當CF3含量過多時，炭紙形成的孔徑過小，會產(chǎn)生較大的毛細管阻力，抑制液態(tài)水的傳輸。然而，與結(jié)構(gòu)均勻的炭紙相比，混抄炭紙由于孔徑大小的差異，其內(nèi)部分層多孔結(jié)構(gòu)會疊加產(chǎn)生一個由小孔指向大孔的毛細管壓力差，促使水從小孔排向大孔，從而降低突破壓力[12]。結(jié)合上述實驗結(jié)果，我們認為在炭紙孔徑減小到一定程度之前，孔徑梯度在炭紙內(nèi)部產(chǎn)生的毛細管壓力差可以促進水的排放，從而可以進一步完善燃料電池的水管理體系。
3 結(jié) 論
我們利用不同長徑比碳纖維制備了具有梯度孔結(jié)構(gòu)的炭紙。與結(jié)構(gòu)均勻的炭紙相比，具有孔梯度的炭紙由于孔徑大小的差異，其內(nèi)部分層多孔結(jié)構(gòu)會疊加產(chǎn)生一個毛細管壓力差，從而促使水從小孔排向大孔，降低了水突破炭紙所需的壓力。然而當孔徑過小時，過大的毛細管阻力會抑制液態(tài)水的排放。上述研究成果對于高性能燃料電池用炭紙的制備具有一定的指導(dǎo)意義。
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然而由于炭紙內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，影響水傳輸?shù)囊蛩剌^多，目前的研究主要集中在炭紙表面處理和孔徑大小對水傳輸?shù)挠绊?，關(guān)于孔徑梯度對水傳輸?shù)难芯抗ぷ骱苌佟Ｒ虼?，本文將利用不同長徑比碳纖維沉降速度的差異來構(gòu)筑具有孔徑梯度的炭紙，并通過液態(tài)水垂直滲透實驗來研究水在炭紙內(nèi)部孔隙中的流動，探究孔徑梯度對水在炭紙內(nèi)部傳輸?shù)挠绊憽?/p>
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1.3 具有孔徑梯度炭紙的制備
采用濕法抄紙工藝，將CF3(長徑比為428)，CF6(長徑比為857)和CF10(長徑比為1 428)按照一定的比例加入分散劑溶液中，經(jīng)過高速疏解使碳纖維分散完全，通過抄紙機使不同長徑比的碳纖維按照不同沉降速率進行沉降，烘干后得到法向具有孔徑梯度的碳纖維原紙，表1 為炭紙中各碳纖維的組成比例。具體炭紙制備工藝見王炯的論文《燃料電池用碳紙的制備和表征》[10]。
表1 炭紙中各碳纖維的組成比例
1.4 炭紙的結(jié)構(gòu)表征與性能測試
微觀形態(tài)：采用場發(fā)射掃描電鏡對炭紙的表面微觀形態(tài)進行表征。測試條件：加速電壓為0.5～30 kV；放大倍數(shù)為400。
表面潤濕性：使用接觸角測量儀測試炭紙樣品的表面潤濕性。測試條件：水滴體積為5 μL；同一樣品選取不同位置測試5次后取平均值。
孔徑：采用微濾膜孔徑分析儀對炭紙進行孔徑測試。測試條件：采用“先濕后干”的測試方法，浸潤劑為無水乙醇，氣體最大吹掃流量為15 L/min。
1.5 炭紙的水傳輸行為
如圖1所示，搭建了一種與Gauthier[2]文章中類似的實驗裝置來探索垂直于炭紙方向的水傳輸情況。將炭紙裁剪成3 cm×3 cm，并置于兩個帶有圓柱狀腔體的丙烯酸樹脂模塊中間，用硅膠墊片和螺絲進行密封固定。其中一個腔體充滿液態(tài)水，并通過tygon軟管與一蓄水池連接。另一個腔體與大氣相通，并置于電子天平正上方。使炭紙孔徑較小的一面與液態(tài)水接觸，炭紙孔徑較大的一面暴露在大氣中，從而使液態(tài)水先流經(jīng)小孔再流向大孔。將燒杯置于天平秤盤上，盛接在一定水壓下穿過炭紙的液態(tài)水。空腔的直徑為2.5 cm，即炭紙的有效測試面積約為5 cm2。炭紙在測試之前置于烘箱中，60 ℃條件下干燥5 h左右。
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2 結(jié)果與討論
2.1 炭紙中孔徑梯度的構(gòu)筑
將一定質(zhì)量的CF3、CF6和CF10加入分散劑溶液中，經(jīng)過一定時間的高速疏解使碳纖維分散完全，將含有碳纖維的漿液倒入高度70 cm的容器中，觀察相同時間內(nèi)碳纖維的沉降情況，如圖2所示。從圖2中可以看到CF3優(yōu)先發(fā)生沉降，20 min左右沉降完全，CF10沉降速率較慢，30 min才沉降完全，CF3的沉降速率是CF10的1.5倍。從圖2(f)中可以看出，由于CF3長徑比較小，堆疊會更為緊密，從而在炭紙中形成的孔徑較小，而CF10長徑比較大，堆疊較為松散，在炭紙中形成的孔徑也較大。由于分散劑溶液的濃度和黏度較大，因此碳纖維在其中整體的沉降速率較慢。在實際濕法抄紙過程中，分散劑的濃度和黏度變小，碳纖維整體的沉降速率會變大，但仍遵循上述沉降規(guī)律，最終形成自上而下孔徑依次減小的碳纖維原紙。
圖2 不同長徑比碳纖維沉降速率圖a)：機械攪拌分散后;b)：靜置5 min;c)：靜置10 min;d)：靜置15 min; e)：靜置20 min;f)：靜置30 min；1#，2#，3#碳纖維的長度分別為3 mm, 6 mm,10 mm
2.2 炭紙的微觀結(jié)構(gòu)
圖3為具有孔徑梯度炭紙的SEM圖。從圖3中可以看出，炭紙頂部較為松散，形成的孔徑較大，底部結(jié)構(gòu)較為致密，形成的孔徑較小。除此之外，還可以采用碳纖維端頭數(shù)量來佐證。從圖3(a1)和3(a2)中可以看出，該視場下，炭紙頂部端頭數(shù)量為9，底部的端頭數(shù)為16。由此證明，隨著長徑比的減少，炭紙單位面積下的端頭數(shù)量增加，即碳纖維根數(shù)增加，從而形成的孔徑也較小。其他樣品的SEM圖均符合這一規(guī)律，因此，炭紙形成自上而下孔徑依次減小的孔徑梯度。
2.3 炭紙的潤濕性
圖4為各炭紙的接觸角測試結(jié)果。從圖4可以看出，炭紙的表面接觸角也會受到其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)葛文凱等[11]有關(guān)液滴在多孔介質(zhì)上的鋪展?jié)B透研究，當多孔介質(zhì)內(nèi)部孔隙較大時，液滴更容易滲透到介質(zhì)內(nèi)部。測試結(jié)果表明，與底部相比，混抄炭紙頂部的接觸角較小，說明其頂部的孔隙較大，盡管測試結(jié)果相差較小，存在一定的測試誤差，但其接觸角變化規(guī)律仍然反映了炭紙具有一定的梯度結(jié)構(gòu)。
2.4 炭紙垂直向的水傳輸行為
圖5為在一定壓力下，液態(tài)水通過炭紙的平均質(zhì)量流速。升壓曲線為干燥后的炭紙在壓力作用下的水流量情況，降壓曲線為同一炭紙，經(jīng)過水流實驗之后潤濕樣品的水流量情況；豎線用于分割觀察到的突破炭紙的水滴數(shù)量。水滲透炭紙的整個過程是相近的，但是突破壓力和水流量的差別反映了樣品孔徑結(jié)構(gòu)的差異。表2總結(jié)了水突破五種炭紙所需壓力和突破時的水流量。水突破樣品CP-R1所需壓力較樣品CP-CF6由5 400 Pa降低至5 100 Pa，并且水流量由1.98 mg/s增加至12.25 mg/s。然而隨著CF3含量的增多，突破壓力會逐漸上升，直到CF3的含量為40%時，水突破混抄炭紙所需壓力大于均勻炭紙。
我們可以通過Young-Laplace方程(如式(1)所示)來解釋上述現(xiàn)象[12]：
(1)
式中pc為毛細管阻力，Pa；σ為水表面張力，10-3N/m；θ為液態(tài)水與測試樣品的接觸角；d為毛細管直徑，μm。
圖5 液態(tài)水通過炭紙的滲透曲線
從式(1)中我們可以看出，孔徑大小與毛細管阻力成反比，這說明孔結(jié)構(gòu)在水的傳輸過程中起著主導(dǎo)作用。因此，我們還表征了樣品的孔徑分布，如圖6所示。
圖6 炭紙的孔徑分布
表2 突破壓力和突破時的水流量
從圖6可以看出，混抄炭紙的孔徑隨著CF3含量的增多而呈現(xiàn)下降趨勢。由公式(1)我們可以看出，當孔徑減小時，毛細管阻力會增大，從而導(dǎo)致水突破炭紙所需壓力也隨之增大。因此，當CF3含量過多時，炭紙形成的孔徑過小，會產(chǎn)生較大的毛細管阻力，抑制液態(tài)水的傳輸。然而，與結(jié)構(gòu)均勻的炭紙相比，混抄炭紙由于孔徑大小的差異，其內(nèi)部分層多孔結(jié)構(gòu)會疊加產(chǎn)生一個由小孔指向大孔的毛細管壓力差，促使水從小孔排向大孔，從而降低突破壓力[12]。結(jié)合上述實驗結(jié)果，我們認為在炭紙孔徑減小到一定程度之前，孔徑梯度在炭紙內(nèi)部產(chǎn)生的毛細管壓力差可以促進水的排放，從而可以進一步完善燃料電池的水管理體系。
3 結(jié) 論
我們利用不同長徑比碳纖維制備了具有梯度孔結(jié)構(gòu)的炭紙。與結(jié)構(gòu)均勻的炭紙相比，具有孔梯度的炭紙由于孔徑大小的差異，其內(nèi)部分層多孔結(jié)構(gòu)會疊加產(chǎn)生一個毛細管壓力差，從而促使水從小孔排向大孔，降低了水突破炭紙所需的壓力。然而當孔徑過小時，過大的毛細管阻力會抑制液態(tài)水的排放。上述研究成果對于高性能燃料電池用炭紙的制備具有一定的指導(dǎo)意義。
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