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质子交换膜力学性能研究

作　者: 刘丹
导　师: 许莉
学　校: 天津大学
专　业: 化工过程机械
关键词: PEM 力学性能棘轮效应浸泡蠕变松弛
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的关键部件,其可靠性对燃料电池寿命有着至关重要的影响,研究其力学性能具有重要意义。本文利用动态力学分析仪(DMA-Q800)对PEM的基本力学性能进行了测试,考察了Nafion?-212在工作温度(85℃)下,受到循环应力作用时,其棘轮应变和棘轮应变率的变化情况,得出平均应力,应力幅,应变率等因素对材料棘轮应变的影响;还研究了其在高温(70℃)浸泡环境下的相关力学性能,有浸泡时间,应变率及是否浸泡对其拉伸性能的影响,还有是否浸泡,应力大小等对其棘轮效应的影响。结果表明,Nafion?-212为率相关材料,高温下应变率对其切线模量,棘轮应变及棘轮应变率均有影响,而高温下平均应力,应力幅等对其循环加载性能也有不同程度的影响;在去离子水中浸泡对其性能有着一定的影响,试样在相同应变下的应力值随着浸泡时间的增加而增大,但是浸泡24小时左右,试样的拉伸性能就趋于稳定,浸泡与否对试样棘轮变化趋势影响不大,但在相同的应力水平下,非浸泡试样的棘轮应变明显大于浸泡试样的。本文还选取了一种国产质子交换膜,研究了其在应变率控制下,在不同温度,加载率条件下的力学性能,包括拉伸性能,蠕变-恢复性能,应力松弛性能等,得出了此种PEM的弹性模量,应力,应变与温度、加载率的关系;在研究聚合物本构关系的基础上,研究了其蠕变随时间,温度,应力变化的蠕变公式,并进行了预测。结果表明,GEFC?-105基于Tan Delta的玻璃化转变温度略高于Nafion?-212;拉伸试验中,在相同的加载条件下,GEFC?-105材料的切线模量、屈服值以及相同应变下的应力值都要大于Nafion?-212的;蠕变试验中,随着应力的增大,试样经过相同时间的蠕变应变快速地增加,温度越高这种现象越明显,而相同蠕变时间的应变随温度的升高快速的增大;松弛试验中,试样的初始应变越大,其产生的初始应力也越大,应力先是快速下降,然后逐渐趋于稳定,而在相同初始应变下,温度越高,其产生的初始应力越低,在整个松弛过程中,其应力也越低;本文应用改进后的Findley蠕变模型预测的蠕变曲线效果比较好。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章文献综述  8-24
  1.1 燃料电池简介  9-13
    1.1.1 燃料电池的原理和特点  9-11
    1.1.2 燃料电池的主要结构和类型  11-12
    1.1.3 燃料电池的发展和研究现状  12-13
  1.2 质子交换膜燃料电池简介  13-16
    1.2.1 PEMFC 的工作原理及特点  14-15
    1.2.2 PEMFC 的结构  15
    1.2.3 PEMFC 的应用  15-16
    1.2.4 PEM 的种类  16
  1.3 PEM 研究进展  16-17
  1.4 材料的棘轮效应  17-20
    1.4.1 金属材料的棘轮效应  18-19
    1.4.2 聚合物的棘轮效应  19-20
  1.5 动态力学分析方法  20-22
  1.6 面临的主要问题  22
  1.7 本文的主要工作及意义  22-24
第二章循环加载下的力学性能研究  24-32
  2.1 试验设备与方法  24-25
  2.2 棘轮应变的定义  25-26
  2.3 试验结果及分析  26-31
    2.3.1 同幅值比时的棘轮应变  26-27
    2.3.2 平均应力对棘轮应变的影响  27-29
    2.3.3 应力幅对棘轮应变的影响  29-30
    2.3.4 加载率对棘轮应变的影响  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章高温浸泡试验  32-39
  3.1 试验设备与方法  32-33
  3.2 试验内容  33-34
    3.2.1 拉伸试验  33
    3.2.2 棘轮试验  33-34
  3.3 试验结果及分析  34-38
    3.3.1 拉伸试验  34-36
      3.3.1.1 不同浸泡时间下应力应变曲线比较  34-35
      3.3.1.2 浸泡与非浸泡应力应变曲线比较  35
      3.3.1.3 不同应变率下的应力应变曲线比较  35-36
    3.3.2 棘轮试验  36-38
      3.3.2.1 浸泡与非浸泡对棘轮应变的影响  36-37
      3.3.2.2 不同应力幅值对棘轮应变的影响  37-38
  3.4 本章小结  38-39
第四章两种PEM 基本力学性能对比试验  39-52
  4.1 试验材料与内容  39
    4.1.1 试验材料  39
    4.1.2 试验内容  39
  4.2 试验结果及分析  39-51
    4.2.1 温度扫描试验  39-41
    4.2.2 拉伸试验  41-45
      4.2.2.1 不同应变率下的应力应变曲线比较  41-42
      4.2.2.2 不同温度下的应力应变曲线比较  42-43
      4.2.2.3 相同应变率相同温度不同材料的应力应变曲线比较  43-45
    4.2.3 蠕变恢复试验  45-49
      4.2.3.1 不同应力下蠕变恢复曲线比较  45-47
      4.2.3.2 不同温度下蠕变恢复曲线比较  47-49
    4.2.4 松弛试验  49-51
      4.2.4.1 不同应变下松弛曲线比较  49-50
      4.2.4.2 不同温度下松弛曲线比较  50-51
  4.3 本章小结  51-52
第五章蠕变本构模型  52-58
  5.1 关于ε_0 的求解  52-53
  5.2 关于ε_t 的求解  53-55
  5.3 关于n的求解  55-56
  5.4 模型预测  56-57
  5.5 本章小结  57-58
第六章结论  58-60
参考文献  60-65
发表论文及科研情况说明  65-66
致谢  66

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