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燃料电池用复合型质子交换膜的研究

谢义淳  
【摘要】:质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高能量密度、无污染、可快速启动等优点而引起人们广泛关注。质子交换膜作为此类燃料电池的核心组件,它不仅起着隔离阳极和阴极,防止燃料与氧化剂直接发生反应的作用,而且还担当质子传导的作用。目前,最常使用的全氟磺酸膜还存在着价格和性能方面的问题,困扰着燃料电池商业化的进程,所以研究开发价格低廉、性能优异的质子交换膜一直是备受关注的热点问题。 本文采用溶液浇铸法,在增强基底聚四氟乙烯(PTFE)多孔膜中引入全氟磺酸树脂(PFSR)制备复合膜,实现提高膜拉伸强度和尺寸稳定性并降低质子交换膜成本的目的;在此基础上添加SiO_2、磷钨酸(PWA)等亲水性无机物,制备自保湿复合膜以提高膜的高温保水性和质子传导率。 分别采用不同的全氟磺酸树脂、不同的PTFE多孔基底膜,制备了PFSR/PTFE复合膜。考察了膜的厚度、PTFE多孔膜的厚度和不同全氟磺酸树脂对PFSR/PTFE复合膜的性能影响。通过扫描电镜(SEM)对复合膜表面形貌分析,发现全氟磺酸树脂在PTFE的孔中填充良好。测定了复合膜的厚度均匀性、离子交换容量、溶胀性、电导率、机械强度以及单电池性能等。实验结果表明:复合膜厚度为40μm时具有最高的机械强度,且复合膜尺寸稳定性好;采用35μm厚的PTFE多孔膜的拉伸强度超过商业Nafion212膜的两倍;以Nafion膜和NR50树脂分别制备的Nafion/PTFE及NR50/PTFE复合膜的单电池测试性能良好。 在全氟磺酸树脂溶液中添加气相化的SiO_2制备了SiO_2/PFSR/PTFE复合膜。考察了复合膜的质子传导率随着SiO_2掺杂量的变化以及SiO_2/PFSR/PTFE复合膜的高温保水效果。结果表明:SiO_2的添加提高了复合膜的质子传导率,并且在较高温下具有良好的保水性。在增湿及不增湿条件下的单电池测试结果均表明SiO_2/PFSR/PTFE具有优于Nafion/PTFE复合膜的性能。 在全氟磺酸树脂溶液中引入磷钨酸以改善膜的质子传导和膜的保水能力,分别制备了单独添加PWA的复合膜PWA/Nafion/PTFE、同时添加PWA和SiO_2的复合膜PWA/SiO_2/Nafion/PTFE,以及具有特殊“三明治”结构的、含PWA的复合膜。考察了复合膜性能,结果发现:PWA/Nafion/PTFE复合膜较Nafion/PTFE的质子传导率高。经过单电池性能测试表明,PWA/Nafion/PTFE的单电池性能在不增湿条件下显示出优于Nafion/PTFE复合膜的性能。同时添加PWA和SiO_2的复合膜PWA/SiO_2/Nafion/PTFE,由于二氧化硅和磷钨酸的双重作用,在SiO_2提高膜含水量的同时,磷钨酸的加入能够提高质子传导速率;经过单电池性能测试,其电池基本性能及稳定性都高于其他复合膜,并且显示出良好的自增湿性能。具有特殊“三明治”结构的PWA/Nafion/PTFE复合膜,能有效阻碍磷钨酸从复合膜中迁出,但其电池性能测试结果欠佳,还需进一步改进。


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