前沿應(yīng)用|高低溫條件下質(zhì)子交換膜孔徑如何表征？低場核磁共振技術(shù)提供簡易評價手段

燃料電池是一種以氫氣為燃料的高效發(fā)電裝置，因其有助于減少二氧化碳排放而備受關(guān)注，燃料電池中的離子交換膜是其核心組件，膜中的細(xì)孔通過傳輸質(zhì)子來發(fā)揮其性能。

用于車載燃料電池的離子交換膜，要求其在低溫 （-50°C）到高溫（80°C）的寬溫度范圍內(nèi)，在反復(fù)進(jìn)行升溫和冷卻的同時，保持其性能。

因此，有必要在冷熱循環(huán)條件下對電解質(zhì)膜內(nèi)的細(xì)孔孔徑變化進(jìn)行評價，但到目前為止，還沒有一種能夠簡便地評價冷熱循環(huán)引起的孔徑變化的方法。

該應(yīng)用通過使用低場核磁共振技術(shù)對冷熱循環(huán)中的質(zhì)子交換膜中的孔隙中的水的弛豫時間進(jìn)行測定，從而能夠評價孔徑的分布，被封閉在細(xì)孔內(nèi)的水的T2弛豫時間會隨著孔徑尺寸的減小而縮短，這一性質(zhì)已被人們所熟知。

利用這一性質(zhì)，可以對孔隙的分布進(jìn)行評價。該應(yīng)用中使用了變溫低場核磁設(shè)備，溫度變化范圍為-50℃-80℃，變溫速率為10℃/min，一共變溫12次，在室溫25℃下測試離子交換膜中水的T2弛豫時間。為了使試樣溫度達(dá)到平衡狀態(tài)，溫度達(dá)到25℃后繼續(xù)保持20分鐘再進(jìn)行測定。此次使用CPMG序列測試T2弛豫時間。

圖一：升降溫變化圖

此次使用的質(zhì)子交換膜對其在80℃、相對濕度為100%的條件下，進(jìn)行了一天的調(diào)濕處理。圖2展示了低場核磁設(shè)備的測定結(jié)果，圖中可以看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，弛豫過程逐漸變慢。

圖2：不同循環(huán)次數(shù)T2弛豫時間

圖3顯示了T2弛豫譜圖的反演曲線，隨著循環(huán)數(shù)的增加，可以看出T2弛豫時間變長，同時T2弛豫時間的范圍變寬。

由此可知，隨著循環(huán)數(shù)的增加，孔隙尺寸會增大，并且孔隙的分散也會增大，表明該質(zhì)子交換膜的孔徑受循環(huán)高低溫影響較大。

圖3：不同循環(huán)次數(shù)的T2反演曲線