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摘 要

质子交换膜燃料电池（proton exchang membrane，PEM）因操作温度较低（50-90℃）、能量转换效率高、启动快等诸多优点而具有很好的发展前景。弹性体垫片是质子交换膜中非常重要的一部分，它长期处于偏酸性、高湿度的环境中，如果弹性体垫片长期处于这种环境，将会使垫片材料老化(如：裂纹、硬化等)，从而垫片的密封性能下降。硅橡胶由于其制作简单、成本较低，常用于垫片的密封。本文主要研究硅橡胶在PEM燃料电池环境中的化学损失，质量损失和表面微观形态。本文主要是配置了两种不同的模拟燃料电池环境溶液，研究硅橡胶的老化情况。

本文的的研究结果如下：

（1）硅橡胶的质量损失研究表明试样的质量随着老化时间的增加而增加。在溶液中，酸的浓度越大则质量损失越大，老化速度越快。

（2）通过光学显微镜观察到材料表面微观形貌可以发现试样的老化程度随着时间及溶液酸浓度的增加而加剧，试样表面由光滑逐步粗糙直至产生裂纹。

（3）通过ATR-FTIR实验可以得到浸泡在RS和ADT老化溶液中的硅橡胶材料表面的结构及化学键发生了变化，材料的损伤程度随着酸的浓度及老化时间的增加而逐渐加剧。相同时期内加速老化溶液中试样的损伤程度比常规溶液中试样的损伤程度要严重，即酸性越强，材料损伤越严重。

（4）通过对红外光谱图的特征峰的分析得到硅橡胶材料损伤机理是材料的主链、侧链断裂以及交联区的水解。

关键词：ATR-FTIR 弹性体材料 损伤 PEM燃料电池

ABSTRACT

Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is a new energy without pollution and low energy consumption.PEM fuel cell has a good development prospect because of its many advantages such as low operating temperature (50-90 degree), high energy conversion efficiency and fast start-up.The elastomer gasket is a very important part of the proton exchange membrane. It has long been in the environment of partial acid and high humidity. If the elastomer gasket is in this environment for a long time, the gasket material will be aged (such as crack, hardening, etc.), and the sealing property of the gasket will be reduced.Silicone rubber is usually used for sealing gaskets because of its simple fabrication and low cost.The chemical loss, mass loss and surface micromorphology of silicone rubber in PEM fuel cell environment are studied in this paper.The chemical loss, mass loss and surface micromorphology of silicone rubber in PEM fuel cell environment are studied in this paper.

The results of this study are as follows:

（1）the mass loss of silicone rubber samples showed that the quality of samples increased with the increase of aging time.In solution, the greater the concentration of acid, the greater the mass loss and the faster the aging rate.

（2） it is found that the aging degree of the sample increases with the increase of the time and the concentration of the acid, and the surface of the specimen is gradually rough from smooth until the crack is produced by the microscopic morphology of the material surface.

（3）the structure and chemical bonds of the silicone rubber material soaked in RS and ADT aging solutions have been changed by ATR-FTIR experiment. The damage degree of the material increases with the increase of the acid concentration and aging time.In the same period, the damage degree of samples in accelerated aging solution is more serious than that in conventional solution, that is, the stronger the acidity, the more serious the material damage is.

（4）through the analysis of the characteristic peaks of the infrared spectrum, the main cause of the damage of the silicone rubber material is the main chain of the material, the fracture of the side chain and the hydrolysis of the crosslinked area.

Keywords: ATR-FTIR; elastomer material; damage; PEM fuel cell.

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 弹性体材料研究背景与发展 1

1.2 PEM燃料电池组成及工作原理 1

1.3 弹性体材料损伤研究 2

1.4 本课题的研究内容 4

第二章 实验设备及材料制备 5

2.1衰减全反射傅里叶变换红外光谱仪 5

2.2 溶液配制 6

2.2.1老化溶液的配制材料及准备工作 6

2.2.2 RS常规溶液配制 7

2.2.3 ADT1溶液配制 8

2.3 实验垫片样品制备 9

2.3.1炼胶材料准备 9

2.3.2混炼 10

2.3.3硅橡胶硫化参数的测定 11

2.3.4硫化 12

2.4 本章小结 12

第三章 试样质量损失及试样微观形貌观测结果及分析 14

3.1 硅橡胶弹性体材料质量损失 14

3.1.1 硅橡胶试样质量损失原理 14

3.1.2 实验过程 14

3.1.3实验结果及分析 15

3.2 弹性体材料表面光学显微镜实验结果及分析 17

3.2.1 实验仪器及实验过程 17

3.2.2 实验结果及分析 17

3.3 本章小结 19

第四章 弹性体垫片材料基于ATR-FTIR的损伤研究 20

4.1 红外光谱技术介绍 20

4.1.1 红外光谱发展 20

4.1.2 红外光谱仪工作原理 20

4.1.3红外光谱图实验数据处理 20

4.2 ATR-FTIR实验结果及数据分析 21

4.2.1 各种官能团所对应的特征峰 21

4.2.2 硅橡胶材料红外光谱分析 21

4.3本章小结 25

第五章 总结与展望 26

5.1 主要工作及研究结果 26

5.2 后期展望 26

5.3 经济评价 27

5.3.1 投资预估 27

5.3.2 资金来源 28

参考文献 29

致 谢 32

第一章 绪论

1.1 弹性体材料研究背景与发展

随着科学技术的发展，弹性体材料已经逐渐成为一项不可缺少的材料，在汽车制造行业占据4%-5%的比例，弹性体材料在汽车发动机、车身、车轮、燃料、驱动和空调等系统都起到了至关重要的作用，弹性体材料凭借自身优异的性能支撑汽车制造业的发展^[1]。弹性体垫片是PEM燃料电池所有组成中一个重要的结构，其主要作用是将还原剂气体燃料H₂和氧化剂O₂分别密封在各自的区域内，李果等^[2]人经过研究发现由于弹性体材料长期暴露在燃料电池的潮湿、酸性环境中，会导致垫片材料老化、损伤甚至失效，会影响电池的正常工作严重时还会导致安全问题，因此垫片的稳定性对电池运行至关重要。随着纳米技术发展，弹性体也广泛应用于体育用品中，纳米改性聚氨酯弹性体材料具有优异的性能，其绿色环保、高性能、低成本、舒适安全且耐磨拉伸性能优异等特点也更适用于塑胶跑道的生产，国际奥委会将聚氨酯塑胶跑道定位国际比赛必备赛道^[3]。

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