近日，我院师生在国际知名期刊Applied Energy（SCI一区Top,IF=11.446）上在线发表了题为“Expanded graphite (EG)/Ni@Melamine foam (MF)/EG sandwich-structured flexible bipolar plate with excellent electrical conductivity, mechanical properties, and gas permeability”的研究论文，该论文是以上海第二工业大学硕士研究生茆晓雨为第一作者，能源与材料学院李一凡副教授和于伟教授通力指导的结果。
图文简介
氢气因其来源丰富、能量转换效率高、污染少而被认为是解决能源短缺和气候变化最合适的能源之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种常用的氢能发电装置。双极板是PEMFC的主要部件，由于石墨材料的迅速发展，石墨基复合双极板得到了广泛的研究。复合石墨双极板的导电通常是通过连接导电填料(石墨)形成完整的导电网络来实现的。机械强度和透气性主要取决于固化树脂形成的基体。树脂的含量对复合双极板的电学性能和机械性能起着决定性的影响。树脂的性质和含量直接影响力学性能，而由于其导电性较低，又必然会损害导电性能。在这项工作中，我们提出了一种将膨胀石墨（EG）与镀镍三聚氰胺泡沫（Ni@MF）层压与真空浸渍制备相结合的制备策略，制备了具有膨胀石墨（EG）/镀镍三聚氰胺泡沫（Ni@MF）夹层结构的复合双极板。其SEM图显示，光滑的三聚氰胺泡沫表面完全覆盖了镍元素，提供了丰富的导电通路。而多孔的三聚氰胺泡沫（MF）为浸渍环氧树脂提供了足够的空间，获得高的抗弯曲强度。中间层的富集树脂量也保证了较低的透气性。此外，经过表面处理的复合板表面也具有较好的疏水性能。
图1.(a) Ni@MF的合成示意图; (b) EG/Ni@MF/EG-EP复合双极板的制备工艺
图2.(a) MF海绵的SEM图像; (b, c)镀镍MF海绵; (d)镀镍MF海绵的EDS图像; (e)原始EG的SEM图像; (f)压制EG板; (g) EG-EP板截面SEM图(h) EG/Ni@MF/EG-EP截面SEM图; (i) EG/Ni@MF/EG-EP截面对应的EDS图像
图3.复合双极板（a）平面电导率、电阻率（b）和相关文献的对比（c）面积比电阻（d）接触电阻
图4.(a)不同类型板中可浸渍的最大树脂含量; (b)复合板的抗弯强度; (c)EG与EG/Ni@MF/EG-EP板的实际弯曲疲劳试验比较; (d)本工作与其他工作中力学性能的对比; (e)EG/Ni@MF/EG-EP复合板与EG-EP板的有限元模拟应力情况比较
图5 (a)透气性测试实验装置; (b)测得的不同复合板的气体渗透性能; (c)氦分子通过不同双极板的示意图; (d)不同板块在一定时间后的表面形貌变化
图6.不同双极板的接触角
图7.(a)所设计的单个燃料电池演示系统的示意图; (b)配有EG/Ni@MF/EG复合双极板板与商用碳化石墨板（CGP）板的燃料电池实际电流随时间变化的比较; (c)振荡条件下EG/Ni@MF/EG板与CGP之间电流随时间的变化比较
小结
在这项工作中，我们提出了一种将膨胀石墨（EG）与镀镍三聚氰胺泡沫（Ni@MF）层压与真空浸渍制备相结合的制备策略，制备了具有膨胀石墨（EG）/镀镍三聚氰胺泡沫（Ni@MF）夹层结构的复合双极板。进一步的实际性能试验证明，与商业化的碳化石墨板相比，所研制的板在实际工况下具有良好的性能。该复合双极板将新型结构的创新和制备技术的结合也是燃料电池复合双极板获得高电导率，高机械性能和低气体渗透性的关键。
（1） 制备了膨胀石墨/镀镍三聚氰胺泡沫/环氧树脂的“三明治”复合结构，有效平衡了双极板应用中对导电性能，机械性能和气体渗透性的要求。
（2） 燃料电池运行平台的实验表明，在实际应用中，该复合双极板具有比目前商用产品更好的导电，抗震等性能。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.120929