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双极板是目前组成质子交换膜燃料电池堆的最贵的部件,它必须具有高的导电性,好的机械强度,低的孔隙率和在燃料电池工作环境下的稳定性。目前最常用的双极板是无孔石墨板,加工复杂,且石墨基质较脆,厚度难于进一步变薄,重量难以减轻。另一种双极板材科是由优质钢板经特殊处理制成,不仅加工昂贵,重量大,而且不能完全保证燃料电池工作环境下耐腐蚀性。
本课题组先前的工作制备了聚芳族双硫醚/石墨纳米复合双极板,该极板具有良好的导电性、力学性能、热稳定性和易加工成型等特点,作为低成本的燃料电池双极板具有广泛的应用前景。
本文是在之前工作的基础上,对聚芳香双硫醚/膨胀石墨纳米复合材料在质子交换膜燃料电池工作环境下的抗老化性能进行了探讨,并根据材料在老化实验中暴露出的缺点对其进行改性研究。老化行为研究表明,复合材料力学性能随着老化时间的延长下降明显,原因在于两相相容性不好,材料内部孔隙较多,使得模拟溶液进入材料内部,破坏材料内部结构。
为了解决这一问题,笔者从两个方向入手:一、降低材料的孔隙率(第四章和第五章);二、增强材料表面的增水性(第三章)。在第三章中,使用氟表面活性剂对聚芳香双硫醚/膨胀石墨纳米复合材料进行改性,从实验结果可以看出,氟表面活性剂的使用改善了POBDS/EG复合材料的一些物理性能。当氟表面活性剂含量达到4%时,复合材料具有最大的弯曲强度、最小的孑L隙率和最小的吸水率。此外,氟表面活性剂还增强了复合材料的耐腐蚀性能和材料表面的憎水性。
笔者采用两种方法降低材料的孔隙率:使用硅烷偶联剂改善两相的相容性(第四章);改善加工工艺制备新型材料(第五章)。根据第四章的实验结果可知,硅烷偶联剂改善了材料的内部结构,使其获得较低的孔隙率和吸水率,此外,硅烷偶联剂还改善了这种复合材料在质子交换膜燃料电池模拟工作环境下的耐腐蚀性能,而且并没有对材料的导电性能产生负面影响。在第五章中,通过引入超声辐射,本文制备了一种新型的复合材料一聚芳香双硫醚/纳米石墨片层复合材料,这种材料具有比POBDS/EG更高的电导率,力学性能,更小的孔隙率和吸水率,以及更好的热性能和耐腐蚀性。因此,具有广阔的应用前景。