燃料電池用碳奈米管/聚丙烯複合材料雙極板之製備及其性質之研究

Preparation and Characterization of Carbon Nanotube/Polypropylene Composite Bipolar Plate for Fuel Cell

翁政智(Cheng-Chih Weng)

指導教授 ： 馬振基

國立清華大學/工學院/化學工程學系/碩士(2008年)

摘要

摘要
本研究主要分為三部分作探討。第一部分以三種不同熔融指數(MI)之聚丙烯樹脂與碳奈米管利用塑譜儀熔融混練方式，製備出碳奈米管/聚丙烯奈米複合材料。使用之聚丙烯樹脂為HC-PP (MI= 16 g/10 min)、MC1-PP (MI= 31 g/10 min)和MC2-PP (MI= 54 g/10 min)三種。透過選用不同種類聚丙烯脂和不同碳奈米管的添加比例，測量複合材料的DSC結晶性質、熔融指數、流變性質、DMA動態機械性質及電氣性質等。

經由DSC測量結晶性質可知，MC1-PP、MC2-PP系列之聚乙烯含量較多(5~7 wt%)，其結晶度(約41.6、42.1 %)明顯低於未含聚乙烯之HC-PP系列(約49.7 %)。而由熔融指數測試可知，隨著碳奈米管含量增加，碳奈米管/聚丙烯複合材料之熔融指數會逐漸下降，其中以MC2-PP的熔融指數從53.6 g/10 min (0 phr) 下降至5.9 g/10 min (7.5 phr)最為顯著。在流變性質方面，HC-PP、MC1-PP及MC2-PP系列之剪切黏度皆隨著碳奈米管含量增加而有提升的趨勢，且以HC-PP系列呈現出最高之剪切黏度。

由DMA動態機械性質分析可知，隨著碳奈米管增加，能夠同時提升碳奈米管/聚丙烯複合材料的儲存模數和損失模數，經三種聚丙烯複合材料性質的比較可發現，MC1-PP系列之儲存模數提升的效果達89.6 % (7.5 phr)明顯高於HC-PP和MC2-PP系列，且tan δ能夠上升約7 oC (7.5 phr)，具有最佳提升之效果。從電氣性質之測試可知，隨著碳奈米管含量增加，碳奈米管/聚丙烯複合材料之表面阻抗有大幅度下降的趨勢，當碳奈米管添加到5 phr時，MC1-PP系列的表面阻抗可從1016 ohm 下降到105 ohm，表面阻抗降低了11個orders，明顯低於HC-PP和MC2-PP系列而具有最佳的導電性質。

第二部分研究旨在添加碳奈米管及石墨於聚丙烯樹脂中，利用塑譜儀加工方法，製備燃料電池用薄型微小化複合材料導電雙極板。研究的內容包含：(1)選用三種不同聚乙烯含量之聚丙烯為樹脂； HC-PP (MI= 16 g/10 min)、MC1-PP (MI= 31 g/10 min)及LC-PP (MI= 19 g/10 min)所具有的聚乙烯含量分別為0 wt%、5~7 wt%及14 wt%，並比較不同聚丙烯樹脂對於複合材料雙極板性質之影響；(2)以及改變碳奈米管的含量(0、1、2、4、8 phr)測試複合材料雙極板的電性質、機械強度、熱膨脹性質、氣體滲透率及單電池性能等。

本部分研究可製備出具有流道的複合材料雙極板，目前的技術可壓出流道的寬度為0.8 mm，深度為0.8 mm，流道間距離為0.8 mm，雙極板厚度為1.2 mm的複合材料雙極板。

本部分研究所製備之複合材料雙極板，最適化之石墨含量為80 wt%，導電度可由32 S/cm提升到142 S/cm，抗曲強度由20.25 MPa提升到23.66 MPa，艾氏無缺口衝擊強度由65.94 J/m下降至57.83 J/m。透過SEM鑑定碳奈米管/聚丙烯樹脂複合材料之表面型態(×30,000 和×100,000)可知，LC-PP系列之複合材料能夠有效增進碳奈米管與聚丙烯樹脂彼此之間的相容性，而使碳奈米管具有最佳的分散效果。

本部分研究最佳的複合材料雙極板，其添加比例為4 phr碳奈米管、20 wt%的LC-PP以及80 wt%的石墨。在導電度的測量方面，可由160 S/cm (0 phr)提升至549 S/cm (4 phr)；抗折強度由21.44 MPa (0 phr)提升至25.13 MPa (4 phr)；艾氏無缺口衝擊強度由65.90 J/m (0 phr)提升至77.81 J/m (4 phr)；熱膨脹係數由32.94 μm/moC (0 phr)降低至28.62 μm/moC (4 phr)；在氦氣滲透率測量顯示，所有配方複合材料雙極板都無漏氣的現象發生；以此添加比例製備之複合材料雙極板進行單電池的性能測試，其最大電流密度為1.245 A/cm2，電功率密度則為0.503 W/cm2。

第三部分研究旨在添加改質碳奈米管及石墨於聚丙烯樹脂中、利用塑譜儀加工方法，製備燃料電池用薄型微小化複合材料導電雙極板。研究的內容包含：(1)以分子量400及2000的聚醚胺類分別與DGEBA環氧樹脂合成出聚醚胺-環氧樹脂型的分散劑A.E.O.(Amine Epoxy Oligmer)，即AEO400與AEO2000；(2)利用醯基化和醯胺化法，將上述分散劑分別接枝上碳奈米管的表面，形成MWCNT-AEO400與MWCNT-AEO2000；(3)並進一步導入至LC-PP系列之複合材料雙極板中，改變碳奈米管的含量(0、1、2、4、8 phr)，測試複合材料雙極板的電氣性質、機械強度、熱膨脹性質、氣體滲透率及單電池性能等。

本部分研究可製備出具有流道的複合材料雙極板，目前的技術可壓出流道的寬度為0.8 mm，深度為0.8 mm，流道間距離為0.8 mm，雙極板厚度為1.2 mm的複合材料雙極板。

本部分研究最佳的複合材料雙極板，其添加比例為4 phr MWCNT-AEO400、20 wt%的LC-PP以及80 wt%的石墨。在導電度的測量方面，可由160 S/cm (0 phr)提升至904 S/cm (4 phr)；抗折強度由21.44 MPa (0 phr)提升至33.16 MPa (4 phr)；艾氏無缺口衝擊強度由65.80 J/m (0 phr)提升至85.45 J/m (4 phr)；熱膨脹係數則受到分散劑上的有機含量影響，會由32.94 μm/moC (0 phr)提升至43.31 μm/moC (4 phr)；在氦氣滲透率測量顯示，所有配方複合材料雙極板都無漏氣的現象發生；以此添加比例製備之複合材料雙極板進行單電池的性能測試，其最大電流密度為1.324 A/cm2，電功率密度則為0.552 W/cm2。

本研究所製備之複合材料雙極板之體積導電度，抗折強度、耐衝擊強度等性質符合美國能源部(Department of Energy U.S.A., D.O.E.)的指標。因此，本研究所製備的複合材料雙極板可應用於質子交換膜燃料電池。

關鍵字

燃料電池 ； 雙極板 ； 奈米複合材料 ； 碳奈米管 ； 石墨 ； 結晶度

並列摘要

無資料

並列關鍵字

Fuel cell ； Bipolar plate ； Nanocomposite ； Carbon nanotubes ； Graphite ； Crystallinity

參考文獻

26. PEM Fuel Cell Development in ITRI, Energy and Resources Laboratories Industrial Technology Research Institute.

111. 陳韋任， “燃料電池用導電雙極板之碳奈米管/酚醛樹脂奈米複合材料備製及其性質研究”，私立中原大學機械工程研究所，2004.

131. www.learningtech.com.tw, 連穎科技股份有限公司, 2007.

7. 王智微，台灣燃料電池產業發展現況，能源報導，2006年8月

12. J. Larminie, A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, John Wiley, 2001