燃料電池分離器用Ti/VGCF復合材料的開發

研究簡報

燃料電池分離器用Ti/VGCF復合材料的開發

燃料電池的重要部件之一是分離氧和氫的分離器。目前分離器材料分為碳系和金屬系兩種，碳系分離器導電性、防氣體滲透性好，但加工性能差，難以薄型化，而不銹鋼金屬系有較好的耐蝕性、加工性及強度，且可薄板化使元件小型化成為可能，但其表面的氧化膜會導致導電性變差，而鈦金屬系盡管具有優良的耐蝕性，但導電性也差。因此日本研究人員嘗試開發由鈦及碳材料組成的復合材料，但采用粉末冶金法燒結時，溫度必須在800 ℃以上，易生成TiC，從而不能得到良好的導電性。為此，開發了一種在室溫下將金屬粉末固化的新型成形方法，即常溫壓縮剪切(COMSE-RT)法。

常溫壓縮剪切法是在移動板及固定板之間填充金屬粉末，然后在對上、下板施以壓縮應力的同時，再對移動板施以剪切應力，使之移動，從而使金屬粉末變形，破壞其氧化膜，新生面互相結合，固化成形為薄板狀。用這種方法成形的純鈦薄板，其拉伸強度可達900 MPa，是純鈦軋制板材的2倍。

實驗采用日本東邦技術公司生產的純鈦粉末，純度99%，粒徑45 μm以下，為氫化脫氫粉末。導電材料采用日本昭和電工氣相生長法生產的納米碳纖維(VGCF)，直徑150 nm，長10～20 μm。將鈦粉和VGCF兩種材料按體積比19∶1的比例放入SKD鋼制容器中，并放入直徑5 mm的鋼球。在氬氣氣氛下進行三軸振動球磨，以300 r/min的轉速混合8 h。混合粉末置于移動板和固定板之間，施加壓縮應力 1 250 MPa(P=500 kN)一定時間后，在維持壓縮應力的同時使移動板移動，剪切速度為10 mm/min，剪切距離為11.5 mm，這時試料厚度約為0.25 mm。這樣就制得了VGCF體積分數為5%的0.25 mm厚的Ti/VGCF薄板。

電阻測定結果顯示，這種Ti/VGCF復合材料的接觸電阻約為5 mΩ·cm2，與純鈦(約42 mΩ·cm2)相比大大降低，與目前使用的碳樹脂復合材料(約5～7 mΩ·cm2)幾乎相當。Ti/VGCF復合材料有望用作燃料電池用分離器的材料。

吳全興譯自《チタン》