高性能多孔聚四氟乙烯增强复合质子交换膜合成及燃料电池性能研究

论文摘要

质子交换膜燃料电池技术倚重于质子交换膜和电催化剂两种关键材料的发展。质子交换膜主要起着阳极和阴极的电子隔离和反应气的隔离作用,并且提供电解质的质子导电功能。质子交换膜位于燃料电池中的膜电极三合一（MEA）的中间位置,在燃料电池研究中愈来愈显更为至关重要的作用。复合型质子交换膜是当前的研究热点之一。本论文通过提高膜的机械强度、降低膜厚度,以提高电池性能、降低成本为目标,研究和开发燃料电池用质子交换膜。薄膜显著降低电池内阻而提高电池性能,同时薄膜降低膜材料使用量因而降低成本。通过对多孔PTFE膜进行液相介质氧化处理,改善了其浸润性,提高了离子聚合物（如Nafion或SPSU）与PTFE之间的界面相容性;合成了厚15-30μm致密的Nafion/PTFE和SPSU/PTFE增强复合质子交换膜;研究了增强复合自增湿质子交换膜（Pt-SiO2催化剂、Nafion和PTFE复合物,简称Pt-SiO2/NP）,膜内吸湿性的纳米级SiO2担载Pt催化剂提高阳极的自增湿功能和降低阴极混合电位,因而提高了其电池开路电压（OCV）和电池性能,同时利于膜内的水平衡;研究了基于双磺化聚醚砜浸渍膨胀拉伸多孔PTFE的复合质子交换膜（SPSU/PTFE）。采用Pb2+染色TEM手段研究了IONOMER/PTFE类型复合膜（如Nafion/PTFE）的离子簇微相区的结构,发现膜内离子簇团的定向聚集现象,并探讨了离子簇团定向聚集与膜的质子传导机理的关联。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 参考文献
• 第二章 文献综述
• 2.1 全氟磺酸质子交换膜
• 2.1.1 Nafion（?）质子交换膜微观结构
• 2.1.1.1 Nafion（?）质子交换膜微观结构与物质传递的关系
• 2.1.2 Nafion 质子交换膜性质研究
• 2.2 非氟烃类质子交换膜
• 2.3 机械增强质子交换膜
• 2.4 自增湿功能复合质子交换膜
• 2.5 质子交换膜研究趋势
• 2.6 文献总结
• 2.7 本论文研发思路和主要内容
• 参考文献
• 第三章 Nafion/PTFE 增强复合质子交换膜的合成、表征与燃料电 池性能研究
• 3.1 引言
• 3.1.1 Nafion/PTFE 膜相关研究
• 3.1.2 膜厚度对燃料电池的性能的影响
• 3.1.3 研发Nafion/PTFE 膜思路
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 多孔聚四氟乙烯的表面处理改性及表征
• 3.2.2 Nafion/PTFE 复合膜的合成
• 3.2.3 Nafion/PTFE 复合膜的表征
• 3.2.3.1 膜的理化性质
• 3.2.3.1.1 膜的含水率
• 3.2.3.1.2 膜的机械强度、尺寸稳定性
• 3.2.3.1.3 膜的气体渗透率
• 3.2.3.2 膜的电化学性质
• 3.2.3.3 膜的TGA 热失重分析
• 3.2.3.4 膜的外观形态、微观形态的5EM 以及EDS 元素分布分析
• 3.2.4 膜电极三合一组件的制备及单电池测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 多孔聚四氟乙烯处理前后的水接触角及表面能
• 3.3.2 膜的表征
• 3.3.2.1 膜的理化性质
• 3.3.2.1.1 膜的含水率
• 3.3.2.1.2 膜的机械强度、尺寸稳定性
• 3.3.2.1.3 膜的气体渗透率
• 3.3.2.2 电化学阻抗（EIS）测量膜的质子电导率
• 3.3.2.3 TGA 分析膜的热失重行为
• 3.3.2.4 膜的结构表征（外观形态、扫描电镜SEM、元素能谱分析EDS）
• 3.3.3 Nafion/PTFE 复合膜的燃料电池单池测试
• 3.3.4 燃料电池中膜的面电阻测量
• 3.4 小结
• 参考文献
• 2/NP 增强复合自增湿质子交换膜合成、表征与燃料 电池性能研究'>第四章 Pt-SiO₂/NP 增强复合自增湿质子交换膜合成、表征与燃料 电池性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 2/NP 膜和NP 膜的制备'>4.2.1 Pt-SiO₂/NP 膜和NP 膜的制备
• 4.2.2 膜的表征
• 4.2.2.1 TEM, ICP-AES, SEM 和 EDS 分析
• 4.2.2.2 膜的水含量
• 2/O-2 气体渗透率'>4.2.2.3 膜的机械强度、尺寸稳定性、和H₂/O-2 气体渗透率
• 2/NP 膜的自增湿效果'>4.2.3 Pt-SiO₂/NP 膜的自增湿效果
• 4.2.3.1 燃料电池单池测试
• 4.2.3.2 膜的内阻测量
• 4.2.3.3 阳极、阴极收集水
• 4.3 结果与讨论
• 2/NP 膜的自增湿机理'>4.3.1 Pt-SiO₂/NP 膜的自增湿机理
• 4.3.2 膜的表征
• 4.3.2.1 TEM, ICP-AES, SEM 和 EDS 分析
• 4.3.2.2 膜的含水量
• 2/O₂ 气体渗透率'>4.3.2.3 膜的机械性能、尺寸稳定性和和H₂/O₂气体渗透率
• 2/NP 膜自增湿效果的实验分析'>4.3.3 Pt-SiO₂/NP 膜自增湿效果的实验分析
• 4.3.3.1 单池测试评价
• 4.3.3.2 膜的面电阻
• 4.3.3.3 阳极、阴极收集水实验
• 4.3.3.3.1 非法拉第水和法拉第水的量化
• 4.3.3.3.2 从阴极到阳极的净水传输
• 2/NP 膜内配比参数、常压氢空、零下低温冷冻次数对其自增湿电池性能影响、以及高温操作电池性能'>4.3.4 Pt-SiO₂/NP 膜内配比参数、常压氢空、零下低温冷冻次数对其自增湿电池性能影响、以及高温操作电池性能
• 2/NP 膜内配比参数对自增湿电池性能影响'>4.3.4.1 Pt-SiO₂/NP 膜内配比参数对自增湿电池性能影响
• 2/NP 膜的常压自增湿电池性能'>4.3.4.2 Pt-SiO₂/NP 膜的常压自增湿电池性能
• 2自增湿电池性能影响'>4.3.4.3 零下低温冷冻次数对Pt-SiO₂自增湿电池性能影响
• 2/NP 膜的高温操作电池性能'>4.3.4.4 Pt-SiO₂/NP 膜的高温操作电池性能
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 SPSU/PTFE 增强复合质子交换膜合成、表征与燃料电池 性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 膨胀拉伸PTFE 膜的预处理和接触角实验
• 5.2.2 SPSU/PTFE 膜、SPSU 膜和Nafion/PTFE 膜的合成
• 5.2.3 膜的表征
• 5.2.3.1 膜的SEM 和EDS 表征
• 5.2.3.2 膜的物理化学性质
• 5.2.3.3 膜的质子电导率和面电阻
• 5.2.4 单池燃料电池评价
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 膨胀拉伸PTFE 膜的接触角
• 5.3.2 SPSU/PTFE 膜的合成
• 5.3.3 膜的物理化学性质和电化学性质
• 5.3.4 膜的SEM 和EDS 表征
• 5.3.5 膜的单池测试
• 5.3.6 膜的面电阻
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 IONOMER/PTFE 及质子传导机理探索研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 IONOMER/PTFE 复合膜制备
• 2+染色膜样品TEM 样品制备'>6.2.2 Pb²⁺染色膜样品TEM 样品制备
• 2+染色膜样品的TEM 照片的图像处理'>6.2.3 P6²⁺染色膜样品的TEM 照片的图像处理
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 PTFE 膜的SEM 照片
• 2+染色膜样品的TEM 照片及其图像处理分析'>6.3.2 Pb²⁺染色膜样品的TEM 照片及其图像处理分析
• 6.3.3 Nafion/PTFE 复合膜的质子传导机理
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 进一步工作设想
• 作者简介
• 攻读博士学位（大化所）和硕士学位（大工）期间发表文章目录
• 致谢