【摘要】 通过离子色谱与燃烧离子色谱技术，研究开路电压下3M离聚体膜与Nafion NR211膜的氟化物释放规律，揭示主链解链与叔氟降解的核心机制，为燃料电池耐久性优化提供数据支持。

燃料电池在开路电压（OCV）运行期间，膜材料的降解机制直接影响其使用寿命与性能。本研究通过离子色谱（IC）与燃烧离子色谱（CIC）技术，对比分析了3M离聚体膜与Nafion™ NR211膜在OCV条件下的降解特性，揭示了氟化物、硫酸盐及有机氟化物的释放规律，为燃料电池膜材料的优化提供了关键数据支持。

 

实验方法与结果

1.样品测试与寿命分布 研究对16组3M离聚体膜和8组Nafion NR211膜进行开路电压测试，通过离子色谱技术检测氟化物、硫酸盐、三氟乙酸盐及草酸盐的释放速率（图1）。结果显示，Nafion NR211膜的氟化物释放速率显著高于3M离聚体膜，推测其主链与侧链的叔氟降解是重要机制。

 

图1 氟(●)、硫酸盐(▲)和三氟乙酸(♦)离子释放速率的8种NR211膜(实线)的OCV电位【1】

 

2.总有机氟化物（TOF）分析 燃烧离子色谱分析表明，Nafion NR211膜的总有机氟与无机氟比值更高，结合三氟乙酸的检出，进一步验证其复杂的降解路径。3M离聚体膜虽以聚合物链末端解链为主，但仍检测到低水平草酸盐，其来源与作用需进一步探究。

 

3.寿命对比与质量损失 统计显示，3M离聚体膜的平均寿命比Nafion NR211膜长75小时（图2），但其质量损失达20%，远高于NR211的10%。值得注意的是，实验条件模拟了极端工况，实际应用中膜降解速率可能低多个数量级。

图2 3M离聚体膜(蓝色)和Nafion NR211(红色)的OCV寿命分布【1】。

 

结论与意义

本研究明确了磺酸侧链的过氧化物攻击对降解贡献较小，而聚合物链末端解链是主要机制。Nafion NR211膜因主链结构特性，更易发生氟化物释放，这对高耐久性燃料电池设计具有指导意义。未来研究需聚焦草酸盐的生成机理及膜厚度对寿命的影响。

 

【1】Yandrasits M A, Marimannikkuppam S, Lindell M J, et al. Ion chromatography and combustion ion chromatography analysis of fuel cell effluent water during open circuit voltage[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2022, 169(3): 034526.

 

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