论文摘要
双极板作为质子交换膜燃料电池（PEMFC）的关键材料之一，其制作成本和性能直接影响着PEMFC的商业化和电池性能。人造石墨双极板性能优异被广泛采用，但由于它的制备工艺较复杂，特别是只能采用昂贵的机加工方法加工流场，使其成本很高。其他各种替代双极板材料的研制一直处于非常活跃的研究之中，金属改性双极板耐腐蚀性能差，成本也比较高；膨胀石墨双极板穿面电导率低并且力学性能差；碳复合材料双极板制作工艺简单，可以一次性复合模压成型直接得到带流场的双极板，价格便宜，它最有望代替传统的机械加工石墨（碳）板。另外，由于PEMFC广泛采用DUPONT公司的NAFION膜，PEMFC在运行过程中的增湿是非常必需的，目前普遍采用的是外增湿，外增湿直接增加了燃料电池电堆的体积，内增湿是一个值得考虑的研究方向，特别是改变双极板的材料或结构来赋予其增湿功能，这样可使电堆体积和重量减少，有利于集成化。所以本论文另辟奚径，分别以水泥为粘接剂（如高铝水泥、水玻璃）制备了几种新型复合材料双极板，他们不同于传统的复合材料双极板，其特点是材料内含有凝胶毛细孔和亲水性，这些特点可赋予该双极板在质子交换膜燃料电池使用过程中对质子交换膜增湿的功能。对其基本物理性能包括电导率、弯曲强度、孔隙率、含水量、耐温性、耐酸腐蚀性、气密性等性能进行了测量，并对其微观结构进行了表征。重点探讨了提高这些新型复合材料双极板电导率和弯曲强度的方法，包括精心选择导电填料的粒径、优化制备工艺（模压时间、模压压力等）和颗粒级配的方法；并对他们的耐酸腐蚀性和金属离子的释放量进行了重点分析。采用高铝水泥作为粘结剂，石墨作为导电填料，通过室温模压的方法制备了导电复合材料，拟用于制作质子交换膜燃料电池的双极板。对高铝水泥／石墨复合材料双极板的电性能和力学性能的影响因数进行了分析和评价，并测量了该复合材料双极板的含水量、凝胶毛细孔尺寸分布和氢气渗透性。实验结果表明：含有60wt％石墨的高铝水泥／石墨模压复合材料双极板的电导率和力学强度基本上可以同时满足质子交换膜燃料电池的使用要求，并且该复合材料双极板含有凝胶毛细孔，约具有7wt％的含水量，具有自增湿功能，此外，氢气渗透率电较低。采用液体钠水玻璃作为粘结剂，石墨作为导电填料，通过室温模压的方法制备了亲水性导电复合材料，拟用于制作质子交换膜燃料电池的取极板，讨论了石墨含量、石墨颗粒粒径、模压压力以及模压时间对导电复合材料电导率的影响，并对不同石墨含量复合材料的含水量进行了分析，得到了最佳的制备工艺条件。结果表明：含有40wt％石墨的钠水玻璃／石墨导电复合材料的电导率能满足其用于燃料电池双极板的要求，弯曲强度为15MPa，并且此导电复合材料具有9％wt的含水量，拥有增湿功能。通过高温模压的方法制备了PVDF／石墨、PVDF／Ti3SiC2、PVDF／膨胀石墨（EG）、聚偏氟乙烯／水泥／Ti3SiC2和聚偏氟乙烯／水泥／石墨导电复合材料双极板，实验结果发现，当以Ti3SiC2作为导电填料时，复合材料双极板的电导率都比较低，可能原因是PVDF与Ti3SiC2的密度相差太大，导致混合不均匀；水泥与Ti3SiC2同属一类材料，水泥的水化产物几乎完全包裹了Ti3SiC2。不同的混合方法（溶剂法、干粉法）对PVDF／石墨、PVDF／膨胀石墨（EG）复合材料双极板的穿面电导率有很大的影响。根据单一粒径颗粒堆积、双级配颗粒堆积和多元级配颗粒堆积的基本理论和计算结果，得到了通过颗粒级配提高导电复合材料电导率的方法，并分别测量了含单一粒径导电填料复合材料双极板和含多种不同粒径导电填料复合材料双极板的电导率，结果表明：对于均匀单一颗粒粒径的导电填料，导电复合材料双极板的电导率随导电填料粒径的增大而增加，大小两种粒径之间合理的颗粒级配还能进一步提高导电复合材料双极板的电导率，但必须考虑小颗粒的粒径与大颗粒粒径之间的关系以及质量配比。在1M H2SO4的腐蚀溶液中和室温条件下，借助电化学工作站采用伏安线性扫描技术对新型复合材料双极板（重点是高铝水泥／石墨、水玻璃／石墨）的耐酸腐蚀性能进行了测试。并采用全谱直读电感偶合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）测量了腐蚀溶液中金属离子的含量。结果表明：从极化曲线来看，新型复合材料双极板的腐蚀电流密度大约为10-4.5A／cm2，说明这些新型复合材料双极板有一定的抗酸腐蚀性。腐蚀1小时后，在腐蚀溶液中检测到了Al，Ca，Na等金属离子，在30℃腐蚀条件下，从这些新型复合材料双极板中释放出来的Al，Ca，Na等金属离子的含量仅占整个双极板中金属离子的5％，但是温度上升到80℃，腐蚀溶液中金属离子含量几乎增加了1倍。