两种聚合物材料用作燃料电池电解质隔膜的机械性能

两种聚合物材料用作燃料电池电解质隔膜的机械性能

叶泳晴

中汽院（重庆）汽车检测有限公司 重庆大足 400900

摘要 在当今世界“节能减排 低碳环保”的绿色发展背景下，清洁能源越来越受到人们的青睐。燃料电池作为热损耗小、发电效率高、低污染、产生的二氧化碳少、适应性强、适用范围广以及使用寿命长成为当前研究的热门主题。与传统能量转换装置相比，燃料电池是一种电化学发电装置，将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能和热能。燃料电池是由含催化剂的电极、电解质隔膜和集电器等元件组成。燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极形成电回路，产生电能并驱动负载工作，同时生成水，释放出热能，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制作过程等。电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度。组装一个电池组，必须将多个燃料电池精确地串联起来。每种电池不同的物理性质和化学性质都将影响燃料电池的使用周期和价值。本文将关注重点放在电解质隔膜的机械性能上，通过实验设备模拟不同的温度和湿度，在这些条件下测试出两种不同聚合物材料的电解质隔膜的拉伸应力、应变、弹性模量、屈服强度的变化规律，并用此方法筛选出更加合适的材料作为燃料电池电解质隔膜的原材料，以此来延长燃料电池的使用时间以及提高其使用价值。

关键词 聚合物电解质膜 燃料电池 机械性能

1. 试验原理

材料力学的拉伸的试验是根据中华人民共和国国家标准GB/T 228.1-2010《金属拉伸试验方法》进行的。材料中的重要机械性能指标如弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标等一系列强度指标和塑性指标，都是通过此试验获得的。

强度通常是指材料在外力作用下抵抗产生弹性变形、塑性变形和断裂的能力。材料在承受拉伸载荷时，当载荷不增加而仍继续发生明显塑性变形的现象叫做应力，用σ表示。

(1-1)

式中：

σ —— 应力，单位为帕（MPa）；

F —— 试验材料被拉断时所承受的最大力，单位为牛顿（N）；

A₀ —— 试验材料的原横截面积，单位平方毫米（mm²）。

对于工程上没有明显屈服点的材料，通常规定材料产生的残余塑性变形为 0.2%时的应力值作为屈服强度,称条件屈服极限或者条件屈服强度，用σ_p0.2 表示。材料在断裂前所达到的最大应力值，称抗拉强度或强度极限，用σ_b表示。大于屈服强度的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。反之，则材料还会恢复原来的样子。

塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不致破坏的能力，常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率。延伸率又叫伸长率,是指材料试样受拉伸载荷折断后,总伸长度同原始长度比值的百分数,用δ表示。断面收缩率是指材料试样在受拉伸载荷拉断后，断面缩小的面积同原截面面积比值的百分数，用ψ表示。

(1-2)

式中：

δ —— 延伸率（应变）；

L₂ —— 试验材料被拉断后的标距长度，单位为毫米(mm)；

L₁ —— 试验材料的原长度，单位为毫米(mm)。

通过胡克定律可得知，固体材料受力后，单位伸长（或缩减）量δ在常系数E（弹性模量）下，与拉（或压）应力σ成正比例，应力大而应变小，则弹性模量较大；反之，弹性模量较小。弹性模量反映材料对于拉伸或压缩变形的抵抗能力，对于一定的材料来说，拉伸和压缩量的弹性模量不同，但二者相差不多，这时可认为两者相同。

(1-3)

应力应变曲线反应材料在外力作用下发生的脆性、塑性、屈服、断裂等各种形变过程。物体由于外因(受力、湿度、温度场变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。聚合物材料具有粘弹性，当应力被移除后，一部分功被用于摩擦效应而被转化成热能，这一过程可用应力应变曲线表示。

2. 试验装置的设计

本文将依据材料力学拉伸试验的原理，通过改变试验温度和相对湿度分析出燃料电池电解质隔膜其中的两种基本原材料（EPE:可发性聚乙烯和TPE:聚氯乙烯)的机械性能是怎样变化的。每块试验样品根据DIN EN ISO 527第一部分和第三部分所描述，不同的几何形状对应不同的力学性能试验[1][2]。聚合物的拉伸试验样品将被裁剪成长方形，将制作好的试验样品放置在由四种温度（25，45，65，85℃）和四种相对湿度（30，50，70，90%），共计16种组合的试验环境中进行测试，得出屈服强度，延伸率，弹性模量与温度，相对湿度的关系[3]。

拉伸试验所需的实验台（图2-1）是由电动机，传动连杆，夹具，拉力传感器，位移传感器，温度传感器以及限位装置构成。拉力传感器被固定在实验台底座上，其两侧用支撑架稳定防止拉力传感器在试验过程中发生偏移。

图2-1:实验台

电动机通过传动系统带动连杆转动，安装在连杆上的夹具通过连杆的转动可以上下移动，另一块夹具则被固定在拉力传感器上，两块夹具共同组成一个拉力系统，利用位移传感器测量出拉伸试验中样品的形变量。温度传感器将分别被放置在电动机外壳上和试验样品周围，用来监测电动机的工作温度，防止温度过高影响其正常工作以及与空气调节柜的温度进行比较。限位装置被固定在传动连杆的最顶端，当与夹具上端发生接触时，电动机就会停止转动，避免与实验台发生碰撞。

由于电动机的工作温度不能超过50℃，而试验温度最高时会达到85℃，为了保证电动机工作时的温度不超过额定温度，必须建立一套冷却系统，给电动机提供降温的作用。一套完整的冷却系统由换热器，储液箱，冷却块和抽水泵组成。换热器分为入水口和回水口。冷却液从入水口流入固定在电动机周围的冷却块，给电动机降温后，流入储液箱，通过抽水泵储液箱中的积水被引回换热器的回水口，用这种方法形成了可循环的冷却系统，确保电动机正常运转。

在整个拉伸试验过程中需要通过LabVIEW软件以及CompactDAQ数据采集器测试并储存电解质隔膜所受到的拉伸应力的大小和形变量。首先在已经完成的应用程序面板上选择储存数据的路径，然后系统开始自动检查电动机，空气调节柜，温度传感器，拉力传感器及位移传感器是否准备就绪，所有装置初始化完成后便可开始实验。

如果有故障，电源安全盒会亮红灯，反之则亮绿灯。在电源安全盒上还设置有“停止”按钮，如遇到紧急情况可以使用按钮中止整个试验系统。自检过程结束后，设置试验温度，相对湿度和电机的转速，电脑和试验系统将会完成交互连接，按下绿色模块上的“OK”键，可以直接开始进行拉伸试验。

由于拉伸试验将处于不同的试验温度和相对湿度中，搭建完成的实验台放置于空气调节柜，以此来根据试验要求来调节。空气调节柜通过LAN线与电脑连接可以实时调节及监控试验时的环境温度和相对湿度。

3. 试验样品的准备

每种试验材料在每一组温度和相对湿度的环境下重复测试三次得到材料被拉断时的拉力和形变量，取其平均值作为最后试验结果，再通过公式（1-1）、（1-2）、（1-3）计算出拉伸应力，屈服强度，延伸率，弹性模量。

材料的拉伸应力，屈服强度与材料的横截面积有关，横截面积由材料的宽度及厚度决定，每一个试验样品的厚度在试验开始前用游标卡尺测量，取三次测量的平均值。

在试验过程中，试验样品被放入夹具中，下面的夹具被固定，通过传动连杆的转动使上面的夹具向上移动把试验样品拉断，并从LabVIEW中导出数据计算出试验结果。

4. EPE：可发性聚乙烯的试验结果分析

通过在不同的实验温度和相对湿度下对同一样品重复进行拉伸试验，发现样品在85℃的试验环境中产生了拉丝状薄膜，如图4-1所示。

图4-1：拉伸试验后EPE材料（可发性聚乙烯）状态

通过试验结果图4-2进行分析，得出结论:温度越高，应力越小，应变越大。湿度变高，使材料逐步变得软而韧，断裂强度下降，断裂生产率增加，温度下降时，逐步转向硬而脆，断裂强度增加，断裂伸长率增减少。

图4-2：EPE的应力、伸长率、弹性模量、屈服强度与试验温度和相对湿度的变化关系

当试验温度到达85℃时，样品的拉伸应力，伸长率，弹性模量，屈服强度的变化并没有随着湿度的增加而产生与其他三个试验温度同样的规律。导致这种现象的原因是试验样品表面的保护膜在85℃时被融化，通过越来越高的相对湿度环境产生越来越好的韧性，试验材料被拉断后附着在其表面的保护膜才被拉断，影响试验的拉力及伸长量。

5. TPE：聚氯乙烯的试验结果分析

同样的试验方法对TPE:聚氯乙烯进行测试，在25℃，45℃，65℃的环境下，由于实验台的测量范围及可塑性，试验样品未能被拉断；当温度达到85℃时，试验样品已被软化，被拉断时并不能测出拉力。

图5-1：拉伸试验后TPE材料（聚氯乙烯）状态

其在各个试验温度和相对湿度的环境下变化规律与EPE一致，温度和湿度的升高，使样品的应力变小，应变变大。

图5-2：TPE的应力、伸长率、弹性模量、屈服强度与试验温度和相对湿度的变化关系

6. 参考文献

[1] DIN, DEUTSCHE-NORM ISO 527-1, Kunststoffe - Bestimmung der Zugeigenschaften - Teil 1: Allgemeine Grundsätze, 2012.

[2] DIN, DEUTSCHE-NORM ISO 527-3, Kunststoffe - Bestimmung der Zugeigenschaften - Teil 3: Prüfbedingungen für Folien und Tafeln, 2003.

[3 ] Yaliang Tang, Anette M. Karlsson, Michael H. Santare, Michael Gilbert, Simon Cleghorn, William B. Johnson: An experimental investigation of humidity and temperature effects on the mechanical properties of perfluorosulfonic acid membrane, Materials Science and Engineering A 425 (2006) 297–304.