熱塑性塑料對高性能和可靠性至關重要

　　
熱塑性工程塑料是燃料電池系統的理想材料，因為其具有易于加工、重量輕，和與生俱來的電絕緣性能。但與燃料電池系統中的氣體和液體的持續直接接觸，會導致熱塑性組分水解，從而顯著影響材料的機械強度。此外，隨之發生的離子浸出可能導致膜污染、形成針孔、雙極板腐蝕和堵塞、熱管理系統絕緣性能下降，以及密封界面處的組件變形和蠕變。對燃料電池系統的直接影響則是效率、可靠性和使用壽命的降低。

　　
特別是，從燃料電池系統所用材料中洗出的受污染正離子，如Na+、Ca2+和Fe2+被膜吸收并遷移。由于電中和的作用，這些離子聚集在陰極并局部替換質子。這種對陰極附近質子濃度的強烈抑制，顯著降低了燃料電池產生的電勢，即所謂的能斯特電勢，從而大幅增加了陰極活化電位。此外，在壞的情況下，過多的離子浸出也會導致膜上形成針孔，致使氫向陰極轉移。

　　
這種效應顯著降低了燃料電池的效率和壽命。DSM （帝斯曼）工程材料已開發出具有極高純度的特殊材料，即使在極端水解環境下，也能從根本上減少離子浸出，顯著改善機械性能。

　　
需要高耐水解性

　　
燃料電池系統通常在70℃～90℃的溫度、幾乎100%的濕度和溫和的酸性條件下運行。這會大幅降低材料性能，特別會影響抗蠕變等長期機械性能。由耐水解性低的材料制成的部件容易在密封邊界處變形和滲漏。為了增強燃料電池組件的性能，DSM開發了高性能塑料，并提供了綜合仿真工具，對極端工況下材料的長期水解性能進行預測。為此，創建了基于聚苯硫醚（PPS）Xytron-PPS的全套材料和仿真平臺。這樣，客戶就有望選擇正確的材料，以獲得低離子浸出和出色的耐水解性。

　　
避免離子浸出

　　
所有聚酰胺（PA）都會吸收一定量的水分，這些水分會侵蝕玻璃纖維并降低界面的化學性質，增加離子浸出的機會。吸濕還會降低玻璃轉化溫度（Tg），從而削弱高溫下的尺寸穩定性和抗蠕變性能。相比之下，PPS吸收的水分很少（圖1），半結晶塑料的非極性分子結構賦予材料極好的耐化學性、低離子浸出和優秀的尺寸穩定性。

 

　　在PPS復合材料的開發過程中，DSM一直致力于改善玻璃纖維和聚合物界面的化學性能。通過這種方式，塑料和玻纖之間的結合得到加強，離子洗出水平下降至比任何替代型PPS塑料更低的水平。對高性能Xytron G4080HR進行離子浸出試驗并將結果與常規Xytron G4020DW-FC及競爭型PPS復合材料進行對比。采用特種聚合物玻纖界面技術的Xytron G4080HR離子浸出率及液體溶液電導率均低（圖2）。

 

　　PPS代替PA，用于燃料電池

　　如上所述，耐水解性對暴露于惡劣工況下的燃料電池組件保持出色的機械完整性至關重要?？傮w而言，PPS連接材料比任何PA都具有更好的機械性能。Xytron G4080HR還具有更高的拉伸強度（圖3），機械性能優于其它PPS復合材料，從而確保長壽命燃料電池組件的可靠性。

 

　　即使在135°C下人工老化3000小時后，依然非常穩定，Tg沒有發生變化（圖4）。相比之下，玻纖含量為35%的高Tg聚對苯二甲酸乙酰胺復合材料（PPA）不到250小時就達到完全水分飽和。即使耐水解性和Tg一流的PPA仍然顯示出Tg會從149℃劇烈下降至僅68℃，從而導致軟化，尺寸穩定性和抗蠕變性顯著降低。

 

　　在90°C的溫度和100%的濕度（燃料電池系統典型工況）下，PA在運行個100小時后水分完全達到飽和狀態。因此，除軟化外，還存在水解降解的風險。

　　10000小時的數據測量

　　由PA制成的燃料電池零組件也顯示有尺寸膨脹，同時，抗蠕變、機械強度和彈性模量等特性也會下降，導致零組件變形。由于密封接口處發生蠕變和變形，這類燃料電池系統面臨很高的失效風險。DSM在對高溫水解溶液中各種聚合物進行系統檢查后，收集了超過10000小時的測量數據。Xytron G4080HR的耐水解性顯著超過了其它聚合物，并且在水和水-乙二醇體系中的機械性能保持力佳（圖5）。

 

　　氫是交通運輸部門具競爭力的燃料來源。這使得運行過程中不會產生排放、對環境影響很小的車輛的生產成為可能，因此有望為構建氣候中性的社會作出決定性貢獻。質子交換膜燃料電池可用于整個交通運輸行業。

　　對于行駛時間通常超過15000小時的商用車，燃料電池用高性能塑料顯著提高了其可靠性。由于耐化學性、尺寸穩定性和耐水解性出色，非常適合于燃料電池系統。除了合適的材料外，DSM還提供連鑄造和建模工具選項，助力制造商避免燃料電池系統可能發生的潛在故障。

　　本文翻譯自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL雜志