燃料電池用復(fù)合質(zhì)子交換膜制備與表征.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)的關(guān)鍵部件之一，膜材料性能的好壞直接關(guān)系到燃料電池的性能與壽命。目前，阻礙燃料電池商業(yè)化的關(guān)鍵問題之一就是全氟磺酸膜的成本太高，另外全氟膜在高溫和低濕度情況下性能不佳，水管理系統(tǒng)復(fù)雜。復(fù)合膜由于能在保證電池性能相當(dāng)?shù)那闆r下減少全氟磺酸樹脂的用量、降低膜的成本，而備受研究者的關(guān)注。本論文從理論上分析了全氟磺酸樹脂在PTFE基體

2、中填充的動力學(xué)過程，針對分析提出了采用負壓工藝制備復(fù)合膜的新方法，另外通過提高處理溫度的方法提高了復(fù)合膜的尺寸穩(wěn)定性和耐久性。論文還對復(fù)合膜進行了SiO<,2>膠體摻雜和自組裝試驗，提高了復(fù)合膜的自增濕保水性能，進而對改善燃料電池的水管理具有積極的意義。通過以上研究得到以下結(jié)論： (1)與目前普遍采用的常壓浸漬工藝相比，負壓浸漬更有助于全氟磺酸樹脂在基體PTFE膜中的填充，SEM表明采用此工藝制備的復(fù)合膜樹脂的填充度優(yōu)于Gore

3、公司復(fù)合膜；差熱分析表明，堿金屬離子對全氟磺酸樹脂的修飾能有效提高樹脂的玻璃化溫度(H<'+>型Nafion樹脂Na化后玻璃化溫度從125℃可提高到410℃)，因此提高復(fù)合膜的熱處理溫度能更好的促進全氟磺酸樹脂和PTFE的融合，提高復(fù)合膜的尺寸穩(wěn)定性；另外耐久性試驗表明，采用H<'+>型Nafion樹脂制備的復(fù)合膜在燃料電池運行144小時后性能出現(xiàn)驟減，而Na<'+>-Nafion/PTFE復(fù)合膜在運行336h后性能未有明顯變化。

4、 (2)全氟磺酸類質(zhì)子交換膜的保水性在一定程度上決定了其質(zhì)子傳導(dǎo)能力，為了提高膜對水的響應(yīng)能力，論文采用溶膠一凝膠法制備SiO<,2>膠體，再將膠體摻入全氟磺酸溶液中制備復(fù)合質(zhì)子交換膜，與溶脹摻雜等其他制備方法相比，此種方法所制備的復(fù)合膜中SiO<,2>顆粒的分布均勻，不存在顆粒梯度分布。TG-DTA測試表明，攙雜后復(fù)合膜在80℃失水僅1.48Wt.％，為未攙雜復(fù)合膜失水量的43％；100℃失水僅3.45Wt％，為未攙雜復(fù)合膜失水量的

5、59.2％，在120℃高溫段，Nafion/SiO<,2>/PTFE復(fù)合膜失重為6.23Wt％，而Nafion/PTFE復(fù)合膜的失重為7/92Wt％，同時單電池在溫度60℃，50℃加濕條件下的性能優(yōu)于Nafion111與Nafion/PTFE膜。 (3)由于復(fù)合膜厚度薄，反應(yīng)氣體很容易透過膜到達對極而產(chǎn)生混合電勢，降低電池性能。向膜中引入Pt顆粒，能使?jié)B透的氣體在膜內(nèi)被催化而生成水，既可避免混合電勢的產(chǎn)生，又潤濕了質(zhì)子交換膜。本