基于親水ePTFE增強的復合質子交換膜的制備及其性能研究.pdf

1、質子交換膜是質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）的核心部件，其性能的好壞直接關系到燃料電池的性能與壽命。當前，ePTFE（多孔聚四氟乙烯）增強的Nafion復合質子交換膜憑借其優(yōu)異的性能和低廉的成本受到廣泛關注。但是不相容的特性直接導致了兩相結合不穩(wěn)定，很大程度上的影響了膜的性能和耐久性。本論文從理論上分析了復合過程中各步驟及反應條件對復合過程的影響，制定了更加優(yōu)化的成膜

2、方案。對基體ePTFE膜的化學表面改性做了一定量的研究工作，并應用此類基體膜復合各種質子交換樹脂，對機械性能、電化學性能、高溫性能等重要因素與傳統(tǒng)膜進行對比。通過以上研究得到以下結論： （1）采用萘—鈉法對ePTFE膜進行親水化處理，研究了萘鈉自由基溶液處理ePTFE的機理及對ePTFE的親疏水性的處理效果，探討了ePTFE的親疏水性對復合膜制備的影響。結果表明，萘鈉自由基親水化處理的實質是聚四氟乙烯中C—F鍵被自由基攻擊而生成

3、—OH、—CO、—CH等親水性基團。處理后的ePTFE接觸角由之前的137°變?yōu)?5°，PFSI與PTFE的界面結合強度提高至原來的3倍。 （2）基于親水基體ePTFE的Nafion—ePTFE復合質子交換膜，由于Nafion樹脂更好的填充進基體膜孔隙，其電導率得到了有效的提高，燃料滲透率也有了一定下降。使用該復合質子交換膜組裝的單電池，開路電壓可以達到0.95V，同時電池性能也有所提高。雖然改性會造成一定的強度損失，但是因為只

4、對材料表面層進行處理，所以只有略微的降低，25.7MPa的強度比Nafion212純膜還是具有一定的優(yōu)勢。 （3）制備出親水ePTFE增強的自組裝Nafion—SiO2聚合物電解質膜。相對于純Nafion—SiO2膜，此種增強的PEM由原來的～20MPa提升至32MPa。面電導也由于厚度的下降，升高到～40 S·cm—2。納米SiO2的添加給膜帶來了良好的保水性，在100℃的運行溫度下，電池600mA·cm—2的輸出電壓可以達到