燃料电池分离器用Ti/VGCF复合材料的开发

研究简报

燃料电池分离器用Ti/VGCF复合材料的开发

燃料电池的重要部件之一是分离氧和氢的分离器。目前分离器材料分为碳系和金属系两种，碳系分离器导电性、防气体渗透性好，但加工性能差，难以薄型化，而不锈钢金属系有较好的耐蚀性、加工性及强度，且可薄板化使元件小型化成为可能，但其表面的氧化膜会导致导电性变差，而钛金属系尽管具有优良的耐蚀性，但导电性也差。因此日本研究人员尝试开发由钛及碳材料组成的复合材料，但采用粉末冶金法烧结时，温度必须在800 ℃以上，易生成TiC，从而不能得到良好的导电性。为此，开发了一种在室温下将金属粉末固化的新型成形方法，即常温压缩剪切(COMSE-RT)法。

常温压缩剪切法是在移动板及固定板之间填充金属粉末，然后在对上、下板施以压缩应力的同时，再对移动板施以剪切应力，使之移动，从而使金属粉末变形，破坏其氧化膜，新生面互相结合，固化成形为薄板状。用这种方法成形的纯钛薄板，其拉伸强度可达900 MPa，是纯钛轧制板材的2倍。

实验采用日本东邦技术公司生产的纯钛粉末，纯度99%，粒径45 μm以下，为氢化脱氢粉末。导电材料采用日本昭和电工气相生长法生产的纳米碳纤维(VGCF)，直径150 nm，长10～20 μm。将钛粉和VGCF两种材料按体积比19∶1的比例放入SKD钢制容器中，并放入直径5 mm的钢球。在氩气气氛下进行三轴振动球磨，以300 r/min的转速混合8 h。混合粉末置于移动板和固定板之间，施加压缩应力 1 250 MPa(P=500 kN)一定时间后，在维持压缩应力的同时使移动板移动，剪切速度为10 mm/min，剪切距离为11.5 mm，这时试料厚度约为0.25 mm。这样就制得了VGCF体积分数为5%的0.25 mm厚的Ti/VGCF薄板。

电阻测定结果显示，这种Ti/VGCF复合材料的接触电阻约为5 mΩ·cm2，与纯钛(约42 mΩ·cm2)相比大大降低，与目前使用的碳树脂复合材料(约5～7 mΩ·cm2)几乎相当。Ti/VGCF复合材料有望用作燃料电池用分离器的材料。

吴全兴译自《チタン》