掺杂软质空心小球对质子交换膜内裂纹捕捉能力的研究*

杜 新，朱亚南

(长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022)

引言

质子交换膜燃料电池被认为是下一代动力源的理想方案，提高耐久性是其商业化成功的关键之一.由于质子交换膜被机械地约束在燃料电池中，电池工作状态变化导致电池内水分改变[1]，因此，在湿热变化过程中其动态吸水特性会产生周期性的机械应力，并在应力集中的位置引发裂纹及扩展[2].裂纹扩展会导致氢气渗透加剧、局部高温等许多负面影响.阻止和减缓膜内裂纹扩展，提高燃料电池耐久性成为各国学者研究热点.

目前对膜内裂纹的研究主要从两个方面展开，一是改善电池运行工况，通过减少工作温度、相对湿度、氢气压力和电池电势等，降低裂纹对氢气渗透的影响.二是改变电池内的结构和材料，如自增湿膜在质子交换膜内掺杂催化剂Pt颗粒，提高膜内水含量[3].Wang等研究在膜内掺杂微胶囊，当其和膜内缺陷(例如裂缝和针孔)相遇时，胶囊破裂并释放预填充的Nafion溶液，就地修复缺陷[4].通过掺杂改变材料机械性能是复合材料研究中常用的方法，硬质掺杂可使裂纹远离掺杂物，而软质掺杂会吸引裂纹.吕斐等研究发现孔洞产生的应力集中对裂纹扩展也会产生“吸引”作用[5].同时，Stefan等研究发现液态水可以密封针孔，消除对流气体的交叉，从而减轻缺陷处的局部膜降解[6].综合上述研究，提出通过掺杂空心微球，吸引裂纹.当空心微球破裂，释放裂尖附近应力场，球内……