納米復合含硅質子交換膜結構和性能研究.pdf

1、全氟磺酸膜(Nafion膜)作為目前商業(yè)化性能最好的膜之一仍然占據(jù)著質子交換膜的主導地位，但是，耐高溫性能差是制約其進一步發(fā)展的一個關鍵因素。目前，采用原位復合法制備有機-無機納米材料復合質子交換膜是高溫質子交換膜研究的一個熱點。但是，采用該法所制備的Nafion/SiO2復合膜仍然存在很多問題，影響了復合膜性能的繼續(xù)改進。本文在前人研究的基礎上深入探討了Nafion/SiO2復合膜制備工藝參數(shù)對膜性能的影響，通過膜的物理性能、電化學性

2、能以及單電池性能測試研究了復合膜的耐高溫性，設計了Nafion/SiO2復合膜的微觀結構模型，并對復合膜的性能進行了理論分析。此外，在降低質子交換膜的成本的基礎上，探討了Nafion/SiO2/PTFE復合膜用于高溫燃料電池的可行性。取得了如下成果： (1) Nafion/SiO2復合膜的拉伸強度低于Nafion膜，其主要原因在于Nafion膜在經(jīng)乙醇浸泡后拉伸強度的降低?？紤]到含硅率對拉伸強度的負面影響，Nafion膜在乙醇和

3、水的混合溶液中的浸泡時間在30min以內較好。在原位合成步驟中，Nafion膜經(jīng)過乙醇和水的混合溶液浸泡后，表面的水分對復合膜的Si的分布有影響，除去膜表面的水分再浸入到正硅酸乙酯/乙醇混合溶液中可以有效改善SiO2在膜內的梯度分布的狀況。 (2) Nafion1135/SiO2復合膜的玻璃化轉變溫度最高可以達到189℃，而Nafion1135膜的玻璃化轉變溫度只有130℃左右。Nafion1135/SiO2復合膜和Nafion

4、1135膜的含水率都隨溫度的升高而增加，溫度達到100℃時，Nafion1135/SiO2復合膜的含水率為34.8％，而Nafion1135膜的含水率只有26.5％；溫度為100℃，相對濕度60％的時候，Nafion1135膜的脫水率為45.26％，而含硅率10％的Nafion1135/SiO2復合膜的脫水率只有32.16％；100℃時，干態(tài)的Nafion/SiO2復合膜在相對濕度為60％時的吸水率是同樣狀態(tài)下Nafion1135膜的7

5、倍。當電池溫度達到110℃時，Nafion1135膜的運行曲線呈劇烈振蕩樣式，不能穩(wěn)定運行，而Nafion1135/SiO2復合膜還能夠在電流密度為600mA/cm2，電壓0.6V的條件下穩(wěn)定運行。說明Nafion1135/SiO2復合膜具有更好的抗低濕、耐高溫性能。 (3) 通過紅外光譜和核磁共振的研究表明采用原位復合的方法制備的Nafion/SiO2復合膜中的SiO2的納米結構含有一定的親水基團(Si-OH)，且以交聯(lián)和半交

6、聯(lián)的網(wǎng)絡結構為主。小角X射線衍射和截面切片透射電鏡的研究表明SiO2分布在的Nation團簇中，且有部分Si02以晶態(tài)形式存在.，SiO2顆粒的粒徑在5-10nm之間。設計了Nafion/SiO2復合膜的微觀結構模型，并對復合膜的性能進行了理論分析。 (4) 采用負壓浸漬的方法可以制得填充度較好的Nafion/SiO2/PTFE復合膜，Nafion/SiO2/PTFE復合膜的拉伸強度和截面電導率與Nafion/PTFE復合膜相差