[00935404]燃料电池质子交换膜失效原理及其寿命调控机制

该项目属于材料科学中复合材料和无机非金属材料的交叉领域。燃料电池作为高能量、功率密度的能量转化装置，是电动汽车等国民经济支柱产业的重大需求。质子交换膜是电池中分隔阴阳极气体、传导质子的核心材料，是电池寿命的控制材料。该项目在国家自然基金重点项目的支持下，发展了质子交换膜寿命加速测试新方法、解析了膜结构和功能的衰减机制，开发出性能和寿命兼优的复合质子交换膜，研究成果对于长寿命燃料电池及相关电化学能量储存转化装置的发展具有重要科学价值。主要科学发现如下： (1)揭示了质子交换膜“溶胀应力疲劳破坏”结构失效规律、提出了“溶胀应力加速测试”的寿命快速评价方法。发现湿度周期性变化可以在膜上形成较强的收缩应力，溶胀应力的长期作用是导致质子交换膜形成物理缺陷、结构完整性破坏的根本原因；同时测试出典型质子交换膜溶胀应力为2.3MPa、安全应力为1.5MPa，这是国际上最早关于质子交换膜溶胀应力失效及其具体应力值的报道。 (2)阐明了电池环境下质子交换树脂的“缺陷端基解压缩式解离”理论、提出了“多元醇脱羧消除缺陷基团”新技术。发现膜化学衰减的历程是自由基攻击下、高分子缺陷末端羧基基团脱落；脱落后相临Ｃ原子成为缺陷末端；高温多元醇反应可以原位转化缺陷羧基为-CH基，提高化学稳定性。 (3)创新了膜“离子团簇-宏观结构-使用工况”的系统化溶胀控制技术、开发了高稳定性的复合质子交换膜。提出“电位反转自组装”单分散亲水复合结构降低团簇变形、负压复合纤维减小宏观溶胀、梯度孔隙电极结构减少使用工况下湿度变化的新技术，使膜的溶胀度从9-14％下降到5-6％、溶胀应力下降到0.5MPa以下。 项目发表的8篇代表性论文被美国劳伦斯国家实验室等权威机构在Chem Rev等权威SCI期刊正面他引594次，单篇最高SCI他引192次、1篇入选ESI高被引论文；开发的质子交换膜经美国通用等权威机构评价，寿命优于商品化Nafion膜4倍以上。