SPPESK電紡有序纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜的儲(chǔ)備及性能.pdf

1、目前，Nafion膜是質(zhì)子交換膜(PEMFC)廣泛應(yīng)用的質(zhì)子交換膜(PEM)，但是它使用成本高、甲醇滲透率高、氫氣滲透等缺點(diǎn)限制了PEMFC的發(fā)展。含有芳香環(huán)的非氟類高分子化合物由于其成本低以及化學(xué)穩(wěn)定性高等特點(diǎn)受到越來越多的研究者重視，非氟質(zhì)子交換膜的缺點(diǎn)是質(zhì)子傳導(dǎo)率低。傳統(tǒng)方法通過增加離子離子交換容量(IEC)來改善非氟膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性，但是IEC過高會(huì)使得膜過度溶脹。靜電紡絲法可以制備納米級(jí)纖維，通過堵孔可以制備質(zhì)子交換膜，由于離子

2、簇在靜電場(chǎng)作用下發(fā)生聚集，形成聯(lián)通的質(zhì)子通道，提高了 PEM的質(zhì)子傳導(dǎo)性，并且在纖維網(wǎng)絡(luò)的支撐下可以提高膜的耐溶脹性能。本文利用靜電紡絲方法，制備了表面有序纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜，進(jìn)而制備了厚度有序纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜。提高了膜厚度方向質(zhì)子傳導(dǎo)率，并具有優(yōu)異的物質(zhì)相容性，國(guó)內(nèi)外未見報(bào)道。
　　首先，通過靜電紡絲法制備出平行有序的SPPESK納米纖維，考察了紡絲液濃度、噴射流速、電壓、滾輪轉(zhuǎn)速對(duì)制備平行有序纖維形貌的影響。確定最優(yōu)紡絲條件

3、為:紡絲電壓為20kV、滾輪轉(zhuǎn)速為2000rpm、噴射流速為6μL/s、紡絲液濃度為20.2wt％。所制備的電紡纖維平行有序，直徑范圍100-300nm。
　　然后，利用相同離子交換容量的SPPESK溶液對(duì)平行有序纖維堵孔，制備了表面有序纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜(Surface Aligned PEM，SA-PEM)。考察了不同IEC下，SA-PEM的性能。通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得到，80℃下，IEC1.82mmol/g的SA-PEM平行纖維方向

4、電導(dǎo)率可達(dá)到163mS/cm，是同IEC下澆鑄膜的1.16倍，與Nafion115膜(153mS/cm)相當(dāng)，纖維復(fù)合膜溶脹度僅為22.0％，與Nafion115(21.0％)膜相當(dāng)，小于澆鑄膜(29.1％)
　　為了提高質(zhì)子交換膜厚度方向質(zhì)子傳導(dǎo)率，將IEC1.82mmol/g的平行有序SPPESK纖維疊加，經(jīng)過堵孔溶液浸潤(rùn)、干燥，再經(jīng)過切片、平整、干燥、質(zhì)子化后，制備了SPPESK纖維沿厚度有序的厚度有序纖維復(fù)合質(zhì)子交換膜(T

5、hickness Aligned PEM，TA-PEM)。研究表明，TA-PEM的平整處理，可以提高膜表面相容性，降低各向異性。平整后TA-PEM具有更優(yōu)異的電、化學(xué)性能以及機(jī)械性能。80℃下，跨膜質(zhì)子傳導(dǎo)率達(dá)到30.0mS/cm，溶脹度僅為23.0％，均與Nafion115膜(36.0mS/cm，21.0％)相當(dāng);拉伸強(qiáng)度達(dá)到19.3MPa遠(yuǎn)高于Nafion115膜;單電池操作的滲氫電流密度為2.37mA/cm2，開路電壓達(dá)到0.95