基于全氟磺酸樹脂改性的高溫質(zhì)子交換膜的研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)由于其高能量轉(zhuǎn)化效率和無污染而在交通動力源和固定電站電源的應(yīng)用方面具有很大的潛力。提高燃料電池的工作溫度是解決水熱管理復(fù)雜、催化劑中毒的有效措施之一；同時也可以改善電池陰陽兩極尤其是陰極的氧還原反應(yīng)動力學(xué)，進(jìn)而提高電池工作效率。然而，目前常用的全氟磺酸(PFSAs)型膜材料(如Nafion膜)的導(dǎo)質(zhì)子能力具有較強(qiáng)的濕度依賴性，其較低的玻璃化溫度也限制了電池的工作溫度。因此，研究開發(fā)可以在高溫低濕度運(yùn)行的質(zhì)

2、子交換膜成為實(shí)現(xiàn)燃料電池高溫運(yùn)行的必要條件?；谏鲜稣J(rèn)識，本文首先結(jié)合文獻(xiàn)分析研究了適合質(zhì)子交換膜導(dǎo)質(zhì)子能力的測試方法，并對基于全氟磺酸(PFSAs)樹脂的改性、摻雜TiO2納米粒子膜和短支鏈PFSA膜在高溫低濕環(huán)境下的性能進(jìn)行了研究，探索有望在高溫低濕度運(yùn)行的質(zhì)子交換膜。通過研究得到以下結(jié)論：
　　 (1)用交流阻抗法測試質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率時，應(yīng)選用Q(RC)作為等效電路。其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)Nyquist譜圖中，高頻段的半圓，反

3、映的是膜的性質(zhì)，半圓的直徑為膜的體電阻；低頻段的斜線，反映的是膜與電極界面的性質(zhì)。測試時，應(yīng)增大交流信號的起始頻率，以盡可能地得到更多半圓部分；得到阻抗譜圖后，應(yīng)選擇擬合法對Nyquist點(diǎn)進(jìn)行擬合，以求得膜的阻抗值。
　　 (2)采用靜電自組裝和有機(jī)-無機(jī)原位復(fù)合技術(shù)制備了Nafion-TiO2復(fù)合質(zhì)子交換膜并研究了Nafion與TiO2納米顆粒二者結(jié)合的狀態(tài)。TEM分析表明納米TiO2顆粒粒徑約為4 nm，分布均勻，XRD分

4、析證實(shí)摻雜的納米TiO2不影響Nafion骨架的結(jié)晶狀態(tài)。Nafion/TiO2復(fù)合膜比Nafion均質(zhì)膜表現(xiàn)出更好的高溫保水能力、熱穩(wěn)定性和質(zhì)子傳導(dǎo)率，可用于高溫PEMFC膜材料。
　　 (3)對短支鏈的Aquivion膜與長支鏈的Nafion211膜的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行比較，由紅外和X射線衍射測試表明這兩種膜具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，且Aquivion膜的結(jié)晶度更高。熱重和熱機(jī)械分析表明Aquivion膜的熱穩(wěn)定性更好，拉伸