近日，沐鸣師生在國際知名期刊Applied Energy（SCI一區Top,IF=11.446）上在線發表了題為“Expanded graphite (EG)/Ni@Melamine foam (MF)/EG sandwich-structured flexible bipolar plate with excellent electrical conductivity, mechanical properties, and gas permeability”的研究論文，該論文是以沐鸣平台碩士研究生茆曉雨為第一作者，沐鸣李一凡副教授和於偉教授通力指導的結果。
圖文簡介
氫氣因其來源豐富🧙♂️、能量轉換效率高🎑、汙染少而被認為是解決能源短缺和氣候變化最合適的能源之一🪙💛。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種常用的氫能發電裝置。雙極板是PEMFC的主要部件，由於石墨材料的迅速發展🧑🏽💼，石墨基復合雙極板得到了廣泛的研究。復合石墨雙極板的導電通常是通過連接導電填料(石墨)形成完整的導電網絡來實現的。機械強度和透氣性主要取決於固化樹脂形成的基體。樹脂的含量對復合雙極板的電學性能和機械性能起著決定性的影響。樹脂的性質和含量直接影響力學性能，而由於其導電性較低🦵🏻💆♂️，又必然會損害導電性能🖥。在這項工作中🛋，我們提出了一種將膨脹石墨（EG）與鍍鎳三聚氰胺泡沫（Ni@MF）層壓與真空浸漬製備相結合的製備策略🧑🏻🏭，製備了具有膨脹石墨（EG）/鍍鎳三聚氰胺泡沫（Ni@MF）夾層結構的復合雙極板🦈。其SEM圖顯示，光滑的三聚氰胺泡沫表面完全覆蓋了鎳元素，提供了豐富的導電通路🧛🏼。而多孔的三聚氰胺泡沫（MF）為浸漬環氧樹脂提供了足夠的空間⚒，獲得高的抗彎曲強度🙇🏽♂️。中間層的富集樹脂量也保證了較低的透氣性💗。此外，經過表面處理的復合板表面也具有較好的疏水性能🌵。
圖1.(a) Ni@MF的合成示意圖; (b) EG/Ni@MF/EG-EP復合雙極板的製備工藝
圖2.(a) MF海綿的SEM圖像; (b, c)鍍鎳MF海綿; (d)鍍鎳MF海綿的EDS圖像; (e)原始EG的SEM圖像; (f)壓製EG板; (g) EG-EP板截面SEM圖(h) EG/Ni@MF/EG-EP截面SEM圖; (i) EG/Ni@MF/EG-EP截面對應的EDS圖像
圖3.復合雙極板（a）平面電導率、電阻率（b）和相關文獻的對比（c）面積比電阻（d）接觸電阻
圖4.(a)不同類型板中可浸漬的最大樹脂含量; (b)復合板的抗彎強度; (c)EG與EG/Ni@MF/EG-EP板的實際彎曲疲勞試驗比較; (d)本工作與其他工作中力學性能的對比; (e)EG/Ni@MF/EG-EP復合板與EG-EP板的有限元模擬應力情況比較
圖5 (a)透氣性測試實驗裝置; (b)測得的不同復合板的氣體滲透性能; (c)氦分子通過不同雙極板的示意圖; (d)不同板塊在一定時間後的表面形貌變化
圖6.不同雙極板的接觸角
圖7.(a)所設計的單個燃料電池演示系統的示意圖; (b)配有EG/Ni@MF/EG復合雙極板板與商用碳化石墨板（CGP）板的燃料電池實際電流隨時間變化的比較; (c)振蕩條件下EG/Ni@MF/EG板與CGP之間電流隨時間的變化比較
小結
在這項工作中，我們提出了一種將膨脹石墨（EG）與鍍鎳三聚氰胺泡沫（Ni@MF）層壓與真空浸漬製備相結合的製備策略，製備了具有膨脹石墨（EG）/鍍鎳三聚氰胺泡沫（Ni@MF）夾層結構的復合雙極板。進一步的實際性能試驗證明🤑，與商業化的碳化石墨板相比，所研製的板在實際工況下具有良好的性能🛵。該復合雙極板將新型結構的創新和製備技術的結合也是燃料電池復合雙極板獲得高電導率，高機械性能和低氣體滲透性的關鍵。
（1） 製備了膨脹石墨/鍍鎳三聚氰胺泡沫/環氧樹脂的“三明治”復合結構，有效平衡了雙極板應用中對導電性能，機械性能和氣體滲透性的要求。
（2） 燃料電池運行平臺的實驗表明，在實際應用中，該復合雙極板具有比目前商用產品更好的導電，抗震等性能。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.120929