高温质子交换膜燃料电池用Nafion复合膜的研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有高比功率、高能量转换效率、高能量密度、快速启动和环境友好等优点成为理想动力电源之一。PEMFC被认为最适宜作可移动动力电源和便携式电源,如手机电池和电动车电源。目前PEMFC的发展面临的一个难题之一就是在高温低湿条件下质子交换膜（PEM）质子传导性能差。因此开发出高性能的质子交换膜是PEMFC研究的重要课题。本论文着眼于PEMFC的现实需要和未来发展,在高温低湿质子交换膜方面进行了新的尝试。Nafion?膜是目前广泛应用于PEMFC的质子交换膜之一,当温度超过100℃时,由于膜内水的过分蒸发,造成其质子传导速率急剧下降,继而使电池性能大幅下降。为了解决上述问题,我们将纳米SiO2和纳米TiO2颗粒掺杂于Nafion膜中,利用纳米SiO2和纳米TiO2颗粒的保水性能对Nafion膜进行改性。我们制备了不同TiO2含量的Nafion/TiO2复合膜和不同SiO2含量的Nafion/SiO2复合膜,并考察了复合膜的性能。实验结果表明,纳米TiO2的加入提高了Nafion/TiO2复合膜的机械性能,在纳米TiO2颗粒的含量为3wt%时,复合膜的拉伸强度比Nafion膜增加了19.5%;复合膜的溶胀也被有效的限制,尺寸稳定性也得到了提高;同时TiO2的掺杂能明显提高复合膜在120℃低湿度下的电导率,在TiO2添加量为4wt%、相对湿度为45%时,Nafion/TiO2复合膜的电导率比Nafion膜高出几乎一倍。将纳米SiO2掺杂于Nafion膜中能有效降低Nafion/SiO2复合膜的溶胀,增强复合膜的阻气性能和机械强度,提高了膜在120℃低湿度的电导率。在纳米SiO2含量为7wt%时,复合膜的氢气透过率为1.7921×10-12mol/（Kpa.cm.min）,比Nafion膜的3.9324×10-12 mol/（Kpa.cm.min）降低了1.2倍;在SiO2添加量为4%、相对湿度为55%时,复合膜的电导率为0.05 S·cm-1,是Nafion膜的0.024 S·cm-1的两倍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 燃料电池
• 1.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
• 1.2.1 PEMFC 的工作原理
• 1.2.2 PEMFC 的关键组件
• 1.2.3 PEMFC 的水、热管理
• 1.2.4 PEMFC 的发展简史和现状
• 1.3 高温质子交换膜概述
• 1.3.1 全氟磺酸膜及其改性研究进展
• 1.3.2 部分氟化聚合物质子交换膜
• 1.3.3 非氟化聚合物质子交换膜
• 1.4 本论文工作的研究内容
• 第二章 Nafion 复合膜的制备和测试方法
• 2.1 Nafion 复合膜的制备
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 复合膜的制备
• 2.2 膜电导率的测量
• 2.2.1 测量装置
• 2.2.2 交流阻抗测量膜的电导率
• 2.3 氢气透过率的测定
• 2.3.1 氢气透过率的测量装置和测量过程
• 2.3.2 氢气透过池的容积标定
• 2.3.3 氢气透过率的求取
• 2.4 膜含水率的测定
• 2.5 膜溶胀度的测定
• 2.6 膜微观形态的测试
• 2.7 X-射线衍射（XRD）
• 2.8 膜拉伸性能测试
• 2复合膜性能研究'>第三章 Nafion/TiO₂复合膜性能研究
• 3.1 仪器表征结果
• 3.1.1 XRD 测试
• 3.1.2 微观形貌分析
• 3.2 膜的含水量及溶胀性能
• 3.3 复合膜的拉伸性能
• 3.4 复合膜的导电性能
• 3.4.1 复合膜在饱和湿度下的水平电导率
• 3.4.2 复合膜高温不同相对湿度下的水平电导率
• 3.5 本章小结
• 2复合膜性能研究'>第四章 Nafion/SiO₂复合膜性能研究
• 4.1 仪器表征结果
• 4.1.1 XRD 测试
• 4.1.2 微观形貌分析
• 4.2 复合膜的含水量及溶胀性能
• 4.3 复合膜的氢气透过率
• 4.4 复合膜的拉伸性能
• 4.5 复合膜的导电性能
• 4.5.1 复合膜在室温下的垂直电导率
• 4.5.2 复合膜在饱和湿度下的导电性能
• 4.5.3 复合膜在不同湿度下的导电性能
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢