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前沿应用|高低温条件下质子交换膜孔径如何表征？低场核磁共振技术提供简易评价手段
燃料电池是一种以氢气为燃料的高效发电装置，因其有助于减少二氧化碳排放而备受关注，燃料电池中的离子交换膜是其核心组件，膜中的细孔通过传输质子来发挥其性能。
用于车载燃料电池的离子交换膜，要求其在低温 （-50°C）到高温（80°C）的宽温度范围内，在反复进行升温和冷却的同时，保持其性能。
因此，有必要在冷热循环条件下对电解质膜内的细孔孔径变化进行评价，但到目前为止，还没有一种能够简便地评价冷热循环引起的孔径变化的方法。
该应用通过使用低场核磁共振技术对冷热循环中的质子交换膜中的孔隙中的水的弛豫时间进行测定，从而能够评价孔径的分布，被封闭在细孔内的水的T2弛豫时间会随着孔径尺寸的减小而缩短，这一性质已被人们所熟知。
利用这一性质，可以对孔隙的分布进行评价。该应用中使用了变温低场核磁设备，温度变化范围为-50℃-80℃，变温速率为10℃/min，一共变温12次，在室温25℃下测试离子交换膜中水的T2弛豫时间。为了使试样温度达到平衡状态，温度达到25℃后继续保持20分钟再进行测定。此次使用CPMG序列测试T2弛豫时间。
此次使用的质子交换膜对其在80℃、相对湿度为100%的条件下，进行了一天的调湿处理。图2展示了低场核磁设备的测定结果，图中可以看出，随着循环次数的增加，弛豫过程逐渐变慢。
图3显示了T2弛豫谱图的反演曲线，随着循环数的增加，可以看出T2弛豫时间变长，同时T2弛豫时间的范围变宽。
由此可知，随着循环数的增加，孔隙尺寸会增大，并且孔隙的分散也会增大，表明该质子交换膜的孔径受循环高低温影响较大。
图3：不同循环次数的T2反演曲线
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