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《武汉理工大学》 2011年
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纳光纤维增强质子交换膜的研究

赵紫薇  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)由于其能量转换效率高、功率密度高、低温启动和无污染等优点,被广泛应用于汽车动力能源、便携式电源设备等方面。质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件之一,起到传导质子、分隔燃料和氧化剂并防止短路的作用。提高燃料电池的工作温度可以有效改善燃料电池中水热管理和催化剂中毒现象。但是,目前广泛使用的全氟磺酸质子交换膜(如Nafion系列膜)的质子传导率依赖于水分的存在,在高于100℃工作时,膜的失水严重直接导致质子传导率的降低。同时,由于Nation膜的玻璃化转变温度较低,限制了其最高有效工作温度。 本文通过静电纺丝法制备了SiO2/PVDF复合纳米纤维膜和SiO2纳米纤维,并把SiO2/PVDF复合纳米纤维膜和SiO2纳米纤维作为一种增强体浸渍到全氟磺酸树脂中得到复合质子交换膜,旨在提高质子交换膜的保水性能的同时增强膜的热机械性能,从而提高在高温下的质子电导率,改善电池的高温工作性能。并在此基础上研究了复合膜的热稳定性和热机械性能,考察了复合膜在不同温度下质子传导性能。取得了以下结果: (1)采用静电纺丝成功制备了纳米复合纤维膜,30%SiO2/PVDF纤维表面光滑,单根纤维较直,纳米纤维的直径大约在500-800nm之间。将SiO2/PVDF纳米复合纤维膜作为增强体制备成纤维分布均匀的SiO2/PVDF/Nafion复合质子交换膜。通过TG、TMA测试表明SiO2/PVDF/Nafion复合膜玻璃化转变温度得到提高,热稳定性明显高于Nafion膜,水溶胀测试表明复合膜的尺寸稳定性得到了提高,交流阻抗测试表明SiO2/PVDF/Nafion复合膜的电导率随着纤维中SiO2的含量的增加而增高,最高可达到0.23S/cm-1。 (2)采用重铸法制备SiO2/Nafion短纤维增强复合质子交换膜,SiO2纳米纤维的直径为300-600nm。TG、TMA测试表明SiO2纳米纤维的加入可以有效提高复合膜的强度SiO2/Nafion复合膜热稳定性和热机械性能,通过水溶胀测试表明SiO2/Nafion复合膜改善质子交换膜的尺寸稳定性,交流阻抗测试表明SiO2/Nafion复合膜的质子传导率得到提高,SiO2/Nafion复合膜的质子传导率最高可达0.26 S/cm-1。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM911.4

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