Polybenzoxazin-basierte Composite-Bipolarplatte: selektive Verteilung von Kohlenschwarz für den Aufbau eines leitfähigen Netzwerks, die Gesamtmenge von 60 Gew.-% der Füllstoffe entspricht dem Standard

Forschungshintergrund und Materialdesign

Polymer-Matrix-Proton-Austauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) Composite-Bipolarplatten benötigen normalerweise mehr als 80 Gew.-% leitfähiger Füllstoffe, um die Leitfähigkeitsanforderungen zu erfüllen, was Druck auf die Leichtung des Elektroreaktors verursacht. Eine Studie, die im Journal of Applied Polymer Science veröffentlicht wurde, schlägt vor, dass die Optimierung der leitfähigen Wege mit mehreren Leitmaßen eine effektive Strategie zur Verbesserung der Effizienz von Füllstoffen ist.

Die Studie mit Graphitplatten (GF) als leitender elektrischer Füllstoff, Kohlenschwarz (CB) als sekundärer Füllstoff, durch den trockenen Dispersionsprozess zur Herstellung von Polybenzoxidazin (PBA)-basierten Kompositplatten, und systematisch untersucht Graphitplattengröße und -gehalt, GF / CB-Verhältnis auf die elektrische Leitfähigkeit und verschiedene Leistungen.

Schlüsseldaten und Leistung

Die Ergebnisse zeigen, dass kleinere Graphitplatten zu besseren elektrischen Leistungen beitragen. Durch die selektive Verteilung des Kohlenstoffschwarzes in der PBA-Substratphase wurde die Leitfähigkeit der PBA/GF/CB-Kompositplatte erheblich verbessert: Bei dem gleichen Gesamtfüllstoffgehalt erreichte das binäre PBA/GF-System, das nur Graphitplatten enthielt, das von der DOE festgelegte Ziel von 100 S/cm nicht, während die Leitfähigkeit nach dem Hinzufügen von 4 Gew.-% Kohlenstoffschwarze 116,36 S/cm erreichte, um die Anforderungen der DOE zu erfüllen. Die Composite-Bipolarplatte mit 52 Gew.-% Graphitplatte und 8 Gew.-% Kohlenschwarz leistet die beste Leistung mit einer Oberflächenleitbarkeit von 153,12 S/cm und einer maximalen Leistungsdichte von 673,13 mW/cm². Darüber hinaus zeigen die PBA/GF/CB-Kompositplatten eine zufriedenstellende Biegefestigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hydrophobie.

Erkenntnisse für die Polymerhilfsmittelindustrie

Der Kern der Forschung besteht darin, die synergische Verteilung von Füllstoffen in verschiedenen Skalen zu nutzen, um die Gesamtmenge von leitfähigen Füllstoffen zu reduzieren. Die selektive Positionierung von Kohlenschwarz in der Substratphase spielt im Wesentlichen eine ähnliche Funktion wie eine “Leitungsnetzwerkbrücke”, die mit der Idee des Aufbaus von Füllstoffnetzwerken durch die Verstärkung von Füllstoffen und Kohlenschwarz in Kautschuk-Rezepturen in Verbindung steht. In den Bereichen Reifen und Gummi ist weißes Kohlenschwarz und Kohlenschwarz bereits ein gängiges Mittel zur Reduzierung des Rollwiderstands, zum Ausgleich der Verschleißbeständigkeit und der Griffleistung, wobei die Verteilung und der Zustand der Füllstoffe im Substrat die endgültige Leistung direkt bestimmen.

Aus Sicht des Rezeptdesigns zeigt die Studie, dass die Effizienz von Füllstoffen nicht nur von der Zusatzmenge abhängt, sondern auch von der räumlichen Verteilung und der Art und Weise, wie Füllstoffe in der Polymerphase miteinander verbunden sind. Für Gummimischungs- und Schwefelsysteme sind die Dispersionsgleichmäßigkeit von Füllstoffen, die Schnittstellenfunktion von Füllstoffen und Gummisubstraten sowie die Auswirkungen des Verarbeitungsprozesses auf die Bildung von Füllstoffnetzwerken entscheidende Variablen, die die elektrische, thermische und mechanische Leitfähigkeit von Produkten bestimmen. Obwohl die Studie auf Brennstoffzellen-Bipolarplatten ausgerichtet ist, kann ihre Methodologie zur Multiskala-Füllstoffkomposition und selektiven Verteilung eine Referenz für die Optimierung von Gummi-Verstärkungs-Füllstoffsystemen sein. Es ist darauf hingewiesen zu werden, dass die Studie den trockenen Dispersionsprozess zur Herstellung von Polybenzoxazin-basierten Verbundstoffen verwendet, deren Verarbeitungsweg deutlich von der Gummimischung unterscheidet, und die entsprechenden Schlussfolgerungen können nicht direkt auf die Reifenrezeptur angewendet werden. Darüber hinaus hat die Studie keine Auswirkungen von Antialterungsmitteln, Antioxidantien und anderen Gummihilfsmitteln auf die langfristige Alterungsleistung des Systems berücksichtigt, und die Anwendbarkeit des selektiven Verteilungsmechanismus von Kohlenschwarz im Gummisubstrat muss weiter geprüft werden.

Quelle der Informationen: Conductive Network Enhancement in Polybenzoxazine‐Based Composite Bipolar Plates via Selective Localization of Carbon Black， Durch befeuchtete Chemiker aufgeräumt.