全氟磺酸樹(shù)脂改性膜的制備及其在燃料電池中的應(yīng)用.pdf

1、在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中全氟磺酸樹(shù)脂膜仍具有許多不盡人意的地方：1.高昂的價(jià)格大大阻礙了PEMFC的商業(yè)化進(jìn)程。2.用于DMFC時(shí)，存在著嚴(yán)重的甲醇滲透問(wèn)題。3.膜的質(zhì)子導(dǎo)電性強(qiáng)烈依賴膜中水的含量，燃料電池尤其是便攜式燃料電池在不加濕條件下操作時(shí)，膜的失水會(huì)引起質(zhì)子電導(dǎo)率的顯著下降，從而導(dǎo)致電池性能的明顯下降。因此對(duì)全氟磺酸樹(shù)脂膜的改性工作成為一項(xiàng)重要的研究課題。 本論文工作針對(duì)以上存在的問(wèn)題，從阻醇和提高質(zhì)子電導(dǎo)率兩方面對(duì)全氟磺酸樹(shù)脂

2、膜進(jìn)行改性，制備新型質(zhì)子交換膜。主要工作包括以下幾方面。 用磺化度為30％的磺化聚砜(SPSF)對(duì)全氟磺酸膜改性，制備了PFSA／SPSF復(fù)合膜。對(duì)制備的復(fù)合膜進(jìn)了紅外光譜、甲醇滲透率和質(zhì)子電導(dǎo)率的性能表征，研究結(jié)果表明，PFSA／SPSF膜的含水率和水中溶脹性能都比PFSA膜小。SPSF含量為5％時(shí)復(fù)合膜表現(xiàn)出最好阻醇性能，SPSF中的芳香環(huán)具有很強(qiáng)憎水性，有效阻擋了極性分子甲醇的滲透。同時(shí)SPSF中含有導(dǎo)質(zhì)子的磺酸基，因此用

3、SPSF對(duì)PFSA膜改性后，復(fù)合膜的質(zhì)子電導(dǎo)率稍微下降，SPSF5％膜在室溫下水平方向的質(zhì)子電導(dǎo)率是7.7×10-2S cm-1，而PFSA膜在相同條件下的質(zhì)子電導(dǎo)率是O．11 S cm-1，二者相差不大。對(duì)SPSF5％和PFSA膜在70℃下的直接甲醇燃料電池性能做了測(cè)試，結(jié)果表明低電流密度下SPSF5％膜的電池性能優(yōu)于PFSA膜，這主要是SPSF5％膜的阻醇性能起主導(dǎo)作用。用W03對(duì)PFSA膜改性，制備了具有動(dòng)態(tài)導(dǎo)電效應(yīng)的W03／PF

4、SA復(fù)合膜，動(dòng)態(tài)電導(dǎo)是指在電池工作過(guò)程中，復(fù)合膜中的W03形成導(dǎo)電的鎢青銅，降低膜電阻而提高整體膜電極的電導(dǎo)率。對(duì)復(fù)合膜的形貌測(cè)試結(jié)果表明所制備的復(fù)合膜均勻而且致密，W元素均勻分布在整個(gè)膜中。熱重實(shí)驗(yàn)表明用W03對(duì)PFSA膜改性后，不僅提高膜的含水率同時(shí)提高膜的熱穩(wěn)定性。復(fù)合膜在45℃無(wú)外增濕條件下的電池性能明顯好于Nafion(R)112膜，現(xiàn)場(chǎng)交流阻抗技術(shù)跟蹤檢測(cè)電池電阻，發(fā)現(xiàn)在電池工作過(guò)程中復(fù)合膜的電阻比Nafion(R) 12膜

5、有較大降低。與靜態(tài)質(zhì)子電導(dǎo)率相比，復(fù)合膜在電池工作過(guò)程中的動(dòng)態(tài)質(zhì)子電導(dǎo)率有明顯提高，這主要是因?yàn)槟ぶ蠾O3在電池工作過(guò)程中產(chǎn)生spill over效應(yīng)，提高了復(fù)合膜的動(dòng)態(tài)質(zhì)子電導(dǎo)率。 采用原位聚合的方法，在Nation(R)112膜中化學(xué)聚合聚苯胺(PANI)。用0.1mol-L-1的(NH4)28208做氧化劑時(shí)，得到具有長(zhǎng)鏈共軛結(jié)構(gòu)的PANI，并且PANI主要聚合在膜的兩側(cè)。PANI／Nafion復(fù)合膜在低濕度下的質(zhì)子電導(dǎo)率

6、高于Nation(R)112膜，相應(yīng)含水率測(cè)試結(jié)果表明復(fù)合膜的含水率低于Nafion(R)112膜，說(shuō)明復(fù)合膜在低濕度條件下質(zhì)子電導(dǎo)率的提高是膜自身質(zhì)子電導(dǎo)率的提高，而不是膜的保水能力的提高所致。濕度降低后，復(fù)合膜中PANI起到傳導(dǎo)質(zhì)子的作用，降低了膜的質(zhì)子電導(dǎo)率對(duì)水的依賴性。相應(yīng)地電池在無(wú)外增濕系統(tǒng)下工作時(shí)，在溫度超過(guò)45℃的失水情況下，復(fù)合膜的電池性能明顯地好于Nation(R)112膜，即PANI／Nafion復(fù)合膜電池的工作適用