氫能作為國家實現“3060碳達峰、碳中和"戰略目標的重要產業支撐受到社會各界的廣泛關注。而質子交換膜燃料電池（PEMFC）是具應用前景的氫能轉換裝置，是各國政府優先發展的技術領域之一。質子交換膜（PEM）是PEMFC電堆中的核心組件之一，其性能的優劣對燃料電池的整體能量轉換、成本控制、長期穩定性等多方面均具有重要影響^[1]。目前，對于PEM性能測試的國家標準主要為GB/T 20042.3，測試內容涵蓋熱穩定性、質子傳導率、吸水率、拉伸強度等多個項目。以拉伸強度測試為例，主要采用設備為拉伸試驗儀。該方法要求給出商用級別的PEM膜在單一溫度（25 °C）、單一濕度（50%）條件下的模量數據。但是，該類方法所獲得的數據不能反映質子交換膜在實際工況條件下的真實模量信息。此外，按照現有研究結果來看，不同電堆加濕條件對于燃料電池的內阻變化、質子交換膜微觀結構調整等具有動態影響^[2]。因此，對于PEM膜的研發、品控而言，亟需一種原位的表征手段，可以從不同的濕度、溫度、時間等多維度動態表征PEM的結構和性能之間關系。

儀器和方法

采用拉伸夾具，在樣品長度方向采用恒定應變模式測定（0.02 mm）。

A、溫度掃描模式：5 K/min速率從室溫升溫至100度附近。

B、濕度掃描模式：選取26度、42度和55度三個等溫平臺，測定相對濕度從5%至50%連續變化情況下的動態力學數據（先線性升高→穩定→線性降低）。濕度掃描程序如圖3所示。

結果與討論

圖3顯示了樣品所經歷的受控環境濕度變化曲線：前50分鐘按照0.9%/min的速率遞增環境濕度，當達到50%相對濕度后，恒定濕度10分鐘，隨后按照0.6%/min的速率遞減環境濕度，直至達到20%的相對濕度。

圖4代表樣品的儲能模量隨著濕度變化趨勢圖譜。不難發現，N117質子交換膜隨溫度平臺的升高，楊氏模量或儲能模量呈現下降趨勢。隨著環境濕度的增加，儲能模量表現出0.9 MPa/min的遞減趨勢，當濕度恒定在50%時，儲能模量維持在4~6 MPa區間（不同溫度平臺有差異）。當環境濕度降低時，儲能模量出現和濕度增加過程鏡像的逆過程，遞增速率較慢，但基本可以達到初始狀態的模量值（對應20%相對濕度的點）。

圖5為樣品損耗模量隨濕度變化的趨勢圖。和儲能模量類似，樣品在濕度增加和減小的兩個過程中，損耗模量變化呈現鏡像對稱關系。與儲能模量不同的是，可以明顯觀察到水分對于全氟磺酸聚合物分子結構的三個相互作用過程，如圖譜中黑色箭頭所示。預示著在不同的環境濕度下，分子結構出現α、β、γ等多級松弛過程^[4]。