基于親水ePTFE增強的復(fù)合質(zhì)子交換膜的制備及其性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜是質(zhì)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(guān)系到燃料電池的性能與壽命。當(dāng)前，ePTFE（多孔聚四氟乙烯）增強的Nafion復(fù)合質(zhì)子交換膜憑借其優(yōu)異的性能和低廉的成本受到廣泛關(guān)注。但是不相容的特性直接導(dǎo)致了兩相結(jié)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(fù)合過程中各步驟及反應(yīng)條件對復(fù)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(xué)表面改性做了一定量的研究工作，并應(yīng)用此類基體膜復(fù)合各種質(zhì)子交換樹脂，對機械性能、電化學(xué)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(jié)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(fù)合膜制備的影響。結(jié)果表明，萘鈉自由基親水化處理的實質(zhì)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(jié)合強度提高至原來的3倍。 （2）基于親水基體ePTFE的Nafion—ePTFE復(fù)合質(zhì)子交換膜，由于Nafion樹脂更好的填充進基體膜孔隙，其電導(dǎo)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(fù)合質(zhì)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(zhì)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(dǎo)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