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热处理及纤维增强NAFION膜研究

李俊升  
【摘要】: 质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种通过电化学反应将燃料(如氢气)的化学能转化为电能的装置。质子交换膜燃料电池有着起动快,高效,低污染的特点,这一特点使其成为未来移动电源及备用电源的重要候选电源。 目前,制约质子交换膜燃料电池商业化的主要是燃料电池的寿命问题。质子交换膜是燃料电池的核心组件。质子交换膜的物理退化被认为是燃料电池失效的重要原因之一。而已有的研究表明,提高强度可以提高可以改善膜的耐久性。通过热处理和纤维增强是提高膜的机械性能有效途径。但是热处理提高机械性能的机理并不清楚,而且对膜的导电性影响也令人担心。纤维增强虽然已有大量实际工作,但是理论上纤维增强的潜力和局限还没有研究报道。本文研究了ePTFE/Nafion复合膜中ePTFE相含量对膜机械性能的影响并评价了不同热处理工艺对膜Nafion 211膜机械性能及传导性能的影响。本文通过研究得到以下主要结论: (1)对Nafion膜进行120℃-160℃之间的热处理时可以提高膜的结晶度,但热处理引起的无规则热运动会破坏膜的团簇结构,从而降低膜的电导率。也就是说直接将Nafion膜进行热处理是行不通的。 (2)对Na离子修饰的Nafion膜进行220℃-240℃之间的热处理也可以改善膜的机械性能。同时,由于Na离子的引入,膜内形成强大的静电网络。在静电网络的作用下,高温热处理时膜中离子团簇发生有序化重构,使膜中侧链活动性增强。这一结构变化导致了膜电导率的提高。对Na型Nafion膜进行2h的热处理(如在240℃)可以较好的平衡膜的强度和电导率关系,同时可以使膜的溶胀应力降至膜的安全疲劳应力值附近。这为Nafion膜的热处理提供了一条有效的途径。 (2) ePTFE/Nafion复合膜的强度与复合膜中各相含量有紧密关系。ePTFE的引入不一定能对复合膜起到增强的作用,只有当复合膜中的ePTFE相含量高于其增强阈值时,ePTFE才能对复合膜进行增强,在本研究中,该阈值为20.7vol%。在ePTFE相含量高于此阈值含量时,复合膜强度随ePTFE相含量的升高而增大。复合膜屈服强度随膜中ePTFE含量变化的规律与抗拉强度随ePTFE含量变化的规律类似。


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