復(fù)合質(zhì)子交換膜機械增強與溫濕度響應(yīng)特性.pdf

1、質(zhì)子交換膜(PEM)的耐久性是影響質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)輸出性能及使用壽命的重要因素之一。制備高強度、低溶脹、高電導率質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換膜研究一大熱點。目前，即使廣泛使用的全氟磺酸類質(zhì)子交換膜來說，也存在高溫高濕度條件下彈性模量變低、蠕變變形等干濕轉(zhuǎn)換性差的問題。因此提高質(zhì)子交換膜強度，制備出能在高溫高濕情況化長期服役的質(zhì)子交換膜材料是燃料電池發(fā)展所必須解決的問題。本論文從制備高界面結(jié)合復(fù)合質(zhì)子交換膜入手，通過堿金屬離子修飾

2、在高溫下制備出了力學性能優(yōu)異的復(fù)合膜材料，并對分別從復(fù)合膜中增強ePTFE相體積分數(shù)對其力學性能的影響、復(fù)合膜蠕變特性的溫濕度響應(yīng)、復(fù)合膜中全氟磺酸導電閾值等問題進行了系統(tǒng)性研究，主要結(jié)論如下：
　　 (1)采用堿金屬離子修飾的全氟磺酸樹脂在高溫下制備了界面結(jié)合性優(yōu)異的PFSA/ePTFE復(fù)合膜材料，由于高溫處理提高了全氟磺酸樹脂本體的結(jié)晶度，提高了抗水醇溶解性，同時有效降低了PFSA樹脂水醇溶解性。所以制備復(fù)合膜失水收縮應(yīng)力大

3、大降低。研究表明采用Na-型樹脂并在290℃(Na-型樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)條件下制備復(fù)合膜在溶脹應(yīng)力、抗水醇性以及電池輸出性能等方面最優(yōu)。
　　 (2)通過對不同ePTFE體積分數(shù)的復(fù)合膜力學性能的研究，提出了ePTFE對復(fù)合膜起增強作用存在閾值效應(yīng)。即當ePTFE體積分數(shù)大于一定數(shù)值時，增強相的加入才會對復(fù)合膜起增強作用。本論文采用復(fù)合材料力學計算模型驗證了我們的結(jié)論。實驗與計算結(jié)果表明ePTFE增強閾值為20.7％(體積分數(shù)

4、)。另外，復(fù)合膜彈性模量與全氟磺酸樹脂和ePTFE各自彈性模量的關(guān)系符合彈性模量混合率，即復(fù)合膜彈性模量隨基體體積分數(shù)增加而增大。
　　 (3)復(fù)合膜彈性模量隨著溫度和濕度的升高而降低，濕度對彈性模量的影響比溫度更為明顯。對于不同溫濕度下復(fù)合膜的蠕變來說，ePTFE增強相能有效的提高質(zhì)子交換膜在低溫高濕度以及高溫零濕度下的抗蠕變性能，這與ePTFE具有高彈性模量，以及ePTFE疏水性有關(guān)。另外，蠕變-回復(fù)實驗說明復(fù)合膜仍然存在塑

5、性變形稍高。這與ePTFE分子鏈無側(cè)鏈交聯(lián)度低有關(guān)。
　　 (4)PFSA/ePTFE復(fù)合質(zhì)子交換膜的導電率除與溫度、濕度有關(guān)外，還受ePTFE體積分數(shù)的影響。復(fù)合膜的電導率存在PFSA體積分數(shù)和含水量導電閾值。在本實驗所測試的30％RH、50％RH、70％RH濕度下，對應(yīng)的復(fù)合膜的PFSA體積閾值分別為70％、62％、47％，也就是說隨著濕度的增加，PFSA導電閾值明顯變小。這可能與全氟磺酸樹脂在濕度增加的情況下導電率提高并且