復合質子交換膜機械增強與溫濕度響應特性.pdf

1、質子交換膜(PEM)的耐久性是影響質子交換膜燃料電池(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、高電導率質子交換膜是質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、蠕變變形等干濕轉換性差的問題。因此提高質子交換膜強度，制備出能在高溫高濕情況化長期服役的質子交換膜材料是燃料電池發展所必須解決的問題。本論文從制備高界面結合復合質子交換膜入手，通過堿金屬離子修飾

2、在高溫下制備出了力學性能優異的復合膜材料，并對分別從復合膜中增強ePTFE相體積分數對其力學性能的影響、復合膜蠕變特性的溫濕度響應、復合膜中全氟磺酸導電閾值等問題進行了系統性研究，主要結論如下：
　　 (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合性優異的PFSA/ePTFE復合膜材料，由于高溫處理提高了全氟磺酸樹脂本體的結晶度，提高了抗水醇溶解性，同時有效降低了PFSA樹脂水醇溶解性。所以制備復合膜失水收縮應力大

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

4、)。另外，復合膜彈性模量與全氟磺酸樹脂和ePTFE各自彈性模量的關系符合彈性模量混合率，即復合膜彈性模量隨基體體積分數增加而增大。
　　 (3)復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合膜的蠕變來說，ePTFE增強相能有效的提高質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。另外，蠕變-回復實驗說明復合膜仍然存在塑

5、性變形稍高。這與ePTFE分子鏈無側鏈交聯度低有關。
　　 (4)PFSA/ePTFE復合質子交換膜的導電率除與溫度、濕度有關外，還受ePTFE體積分數的影響。復合膜的電導率存在PFSA體積分數和含水量導電閾值。在本實驗所測試的30％RH、50％RH、70％RH濕度下，對應的復合膜的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