用于PEMFC中改性的NAFION質(zhì)子交換膜研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵部件，起到傳導(dǎo)質(zhì)子和隔開陰、陽(yáng)極的作用。目前在質(zhì)子交換膜燃料電池中普遍使用的是全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，如Dupont公司的Nafion系列。Nafion系列質(zhì)子交換膜具有好的機(jī)械強(qiáng)度、充分含水態(tài)時(shí)高質(zhì)子電導(dǎo)率和較長(zhǎng)的使用壽命，但是對(duì)于有機(jī)小分子做為陽(yáng)極燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池，現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜存在下述不足：有機(jī)小分子在質(zhì)子交換膜中滲透比較嚴(yán)重，從而在陰極產(chǎn)生混合電位影響燃料電池的放電性能。另外，全氟磺酸

2、型質(zhì)子交換膜的質(zhì)子電導(dǎo)率強(qiáng)烈的依賴于水的存在，從而限制了其使用溫度在80℃左右，當(dāng)溫度高于80℃，由于質(zhì)子交換膜的失水導(dǎo)致電導(dǎo)率的下降甚至完全失去質(zhì)子傳導(dǎo)能力。
　　為了解決上述問題，本文在 Nafion質(zhì)子交換膜的基礎(chǔ)上采用原位水解法制備了Nafion/SiO2復(fù)合膜，提高了質(zhì)子交換膜的含水率和保水能力，同時(shí)有效的降低了燃料（甲醇和二甲醚）從質(zhì)子交換膜一側(cè)透過交換膜向另一側(cè)的滲透。其中，含水率從Nafion基膜的29.0％上升至

3、Nafion/SiO2(11.5 mass%)復(fù)合膜的33.1%；在80 ℃的二甲醚體系中，隨著復(fù)合膜中SiO2含量的增加，極限擴(kuò)散電流出現(xiàn)明顯的下降，二甲醚在Nafion基膜中極限擴(kuò)散電流為16.7mA cm-2，而SiO2含量為3.6 mass%，8.0mass%，11.5mass%的復(fù)合膜極限擴(kuò)散電流則分別為11.5mA cm-2，8.4mA cm-2，7.1mA cm-2，與Nafion質(zhì)子交換膜相比，分別下降了31.1%、49

4、.7%、57.5%。
　　但是 SiO2進(jìn)入質(zhì)子交換膜后會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子電導(dǎo)率的下降，為了補(bǔ)償質(zhì)子電導(dǎo)率的下降，對(duì)優(yōu)化后的Nafion/SiO2復(fù)合膜進(jìn)行了磺化處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，磺化的Nafion/SiO2復(fù)合膜有效的提高了Nafion/SiO2復(fù)合膜的質(zhì)子電導(dǎo)率，其中磺化8 h的Nafion/SiO2復(fù)合膜的質(zhì)子電導(dǎo)率甚至優(yōu)于Nafion基膜。組裝膜電極放電結(jié)果可知，在二甲醚燃料體系中，與Nafion基膜制備的膜電極相比，Nafio

5、n/SiO2復(fù)合膜和磺化的Nafion/SiO2復(fù)合膜制備的膜電極放電性能均有提高，尤其是磺化的Nafion/SiO2復(fù)合膜性能提高比較明顯，與Nafion膜制備膜電極最大功率密度20.5 mW cm-2相比，Nafion/SiO2復(fù)合膜制備膜電極最大功率密度22.7mW cm-2，提高了10.7%；而磺化的Nafion/SiO2復(fù)合膜最大功率密度為30.0mW cm-2，提高了46.5%。
　　同時(shí)，還在Nafion質(zhì)子交換膜的

6、基礎(chǔ)上采用原位水解法制備了Nafion/SiO2-P2O5復(fù)合膜，測(cè)試結(jié)果表明Nafion/SiO2-P2O5復(fù)合膜含水率得到了提高，從Nafion基膜含水率29.0%上升到了Nafion/SiO2-P2O5復(fù)合膜的33.2%；另外，與Nafion基膜相比，燃料在Nafion/SiO2-P2O5復(fù)合膜中的滲透略有下降；在80 ℃，Nafion基膜和Nafion/SiO2-P2O5復(fù)合膜質(zhì)子電導(dǎo)率分別為0.0907 S cm-1和0.08