用于质子交换膜燃料电池的酚醛乙烯基树脂/石墨复合双极板的性能研究

《ACS Omega》：Investigation of Phenolic Vinyl Resin/Graphite Composite Bipolar Plates for Proton Exchange Membrane Fuel Cells

通过酚醛乙烯树脂/膨胀石墨复合双极板制备工艺优化，发现当树脂含量为38%时，复合BPs的电导率（>100 S/cm）、抗弯强度（>40 MPa）和耐腐蚀性（5.96×10?? A/cm2）均达到最佳平衡状态，满足美国能源部2025年燃料电池双极板性能指标要求，同时保持良好的热稳定性和表面疏水性。

　　
本研究聚焦于酚醛树脂复合双极板（BPs）的性能优化，重点考察树脂含量对材料导电性、机械强度及耐腐蚀性的影响。研究团队采用干法球磨混合工艺，将天然石墨、膨胀石墨（EG）和碳纤维作为导电填料，以酚醛树脂为粘结剂，通过热压成型法制备了系列复合BPs。通过系统测试发现，当树脂含量达到38%时，材料在满足燃料电池工作温度（80-100℃）热稳定性的同时，兼具超过100 S/cm的高电导率和40 MPa以上的抗弯强度，完全符合美国能源部（DOE）2025年双极板性能指标要求。

在材料制备过程中，研究团队采用行星式球磨机对原料进行充分混合，并通过梯度升温热压工艺（130℃预压10分钟，200℃终压5分钟）确保材料致密化。电镜观察显示，38%树脂含量的样品表面呈现均匀致密的网状结构，石墨填料与树脂界面结合紧密，无显著分层或空洞。这种微观结构的优化有效实现了导电相与树脂基体的协同作用，既保证材料机械强度又维持必要的导电通道。

性能测试方面，差示扫描量热法（DSC）揭示了树脂固化过程的双峰特性：低温峰（约110℃）对应树脂预聚反应，高温峰（约164℃）显示完全固化。热重分析（TGA）证实，添加EG使材料800℃残碳率提升至80%以上，显著优于纯树脂的23.6%，表明石墨填料有效提升了材料热稳定性。接触角测试显示，所有样品均呈现超疏水性（接触角>90°），其中38%树脂含量的样品水渗透率最低，有利于维持燃料电池内部均匀湿度和高效排水。

机械性能测试揭示出树脂含量与抗弯强度的非线性关系：当树脂含量低于28%时，材料内部存在大量未粘结的石墨颗粒和树脂空隙，导致抗弯强度不足35 MPa；随着树脂含量增至38%，抗弯强度提升至41.2 MPa，达到DOE标准下限值的103%；继续增加至42%时，过量树脂导致应力集中，强度反而下降至34.8 MPa。这种变化规律与扫描电镜观测到的微观结构演变一致：低树脂含量时石墨颗粒离散分布，高树脂含量则出现树脂富集区域和微裂纹。

电化学测试显示，38%树脂含量的复合BPs在0.2-3 MPa接触压力范围内表现出优异的电导稳定性。当电流密度达到1200 mA/cm2时，功率密度仍保持647.94 mW/cm2的高水平，且极化曲线显示其腐蚀电流密度为5.96×10?? A/cm2，显著低于DOE规定的1×10?? A/cm2阈值。这种性能优势源于酚醛树脂的三维网络结构对石墨导电通道的优化重构，XPS分析证实该比例下C-O键占比达33.8%，既保证树脂粘结性又维持导电通路。

研究特别指出材料界面结合的临界状态：当树脂含量超过38%时，EG的体积分数低于临界渗透阈值（约35%），导致树脂形成连续相包裹石墨颗粒，有效截断导电网络。此时材料电导率骤降至88.7 S/cm以下，无法满足燃料电池大电流需求。而38%的优化比例恰好使EG形成连续导电骨架，树脂均匀填充间隙，既保证机械强度又维持导电需求。

耐久性测试进一步验证了该比例的适用性：在200小时加速寿命试验中，38%树脂BPs的功率衰减率仅为1.2%，显著优于纯石墨BPs的8.7%衰减率。这种长寿命特性归因于树脂-石墨界面结合强度提升，以及EG对酸腐蚀的有效屏障作用。测试数据显示，该材料在pH3、1.0×10?? mol/L HF的腐蚀环境中，表面氧化速率低于0.01 μA/cm2，完全满足DOE对双极板耐腐蚀性的要求。

该研究为燃料电池双极板开发提供了重要技术路径：首先验证了酚醛树脂作为粘结剂的经济可行性，较环氧树脂降低成本约15%；其次确立了EG与树脂的优化配比（质量比38:62），突破传统复合BPs强度与导电性难以兼得的瓶颈；最后建立热压成型参数与材料性能的关联模型，为规模化生产提供工艺指导。研究结果已应用于某型燃料电池的工程化改进，使系统功率密度提升12%，整体重量降低18%，达到商业化应用标准。