用于PEMFC中改性的NAFION质子交换膜研究

论文摘要

质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键部件,起到传导质子和隔开阴、阳极的作用。目前在质子交换膜燃料电池中普遍使用的是全氟磺酸型质子交换膜,如Dupont公司的Nafion系列。Nafion系列质子交换膜具有好的机械强度、充分含水态时高质子电导率和较长的使用寿命,但是对于有机小分子做为阳极燃料的质子交换膜燃料电池,现有的质子交换膜存在下述不足:有机小分子在质子交换膜中渗透比较严重,从而在阴极产生混合电位影响燃料电池的放电性能。另外,全氟磺酸型质子交换膜的质子电导率强烈的依赖于水的存在,从而限制了其使用温度在80 oC左右,当温度高于80 oC,由于质子交换膜的失水导致电导率的下降甚至完全失去质子传导能力。为了解决上述问题,本文在Nafion质子交换膜的基础上采用原位水解法制备了Nafion/SiO2复合膜,提高了质子交换膜的含水率和保水能力,同时有效的降低了燃料（甲醇和二甲醚）从质子交换膜一侧透过交换膜向另一侧的渗透。其中,含水率从Nafion基膜的29.0 %上升至Nafion/SiO2（11.5 mass %）复合膜的33.1 %;在80 oC的二甲醚体系中,随着复合膜中SiO2含量的增加,极限扩散电流出现明显的下降,二甲醚在Nafion基膜中极限扩散电流为16.7 mA cm-2,而SiO2含量为3.6 mass %,8.0 mass %,11.5 mass %的复合膜极限扩散电流则分别为11.5 mA cm-2,8.4 mA cm-2,7.1 mA cm-2,与Nafion质子交换膜相比,分别下降了31.1 %、49.7 %、57.5 %。但是SiO2进入质子交换膜后会导致质子电导率的下降,为了补偿质子电导率的下降,对优化后的Nafion/SiO2复合膜进行了磺化处理。实验结果表面,磺化的Nafion/SiO2复合膜有效的提高了Nafion/SiO2复合膜的质子电导率,其中磺化8 h的Nafion/SiO2复合膜的质子电导率甚至优于Nafion基膜。组装膜电极放电结果可知,在二甲醚燃料体系中,与Nafion基膜制备的膜电极相比,Nafion/SiO2复合膜和磺化的Nafion/SiO2复合膜制备的膜电极放电性能均有提高,尤其是磺化的Nafion/SiO2复合膜性能提高比较明显,与Nafion膜制备膜电极最大功率密度20.5 mW cm-2相比,Nafion/SiO2复合膜制备膜电极最大功率密度22.7 mW cm-2,提高了10.7 %;而磺化的Nafion/SiO2复合膜最大功率密度为30.0 mW cm-2,提高了46.5 %。同时,还在Nafion质子交换膜的基础上采用原位水解法制备了Nafion/SiO2-P2O5复合膜,测试结果表明Nafion/SiO2-P2O5复合膜含水率得到了提高,从Nafion基膜含水率29.0 %上升到了Nafion/SiO2-P2O5复合膜的33.2 %;另外,与Nafion基膜相比,燃料在Nafion/SiO2-P2O5复合膜中的渗透略有下降;在80 oC,Nafion基膜和Nafion/SiO2-P2O5复合膜质子电导率分别为0.0907 S cm-1和0.0827 S cm-1,复合膜质子电导率有所下降。组装膜电极进行放电测试结果表明,在二甲醚体系中,Nafion/SiO2-P2O5复合膜制备膜电极放电性能有了较大提升,从Nafion基膜制备膜电极的20.5 mW cm-2上升到了Nafion/SiO2-P2O5复合膜制备的膜电极的31.6 mW cm-2,提高了54.3 %,这可能是由于Nafion/SiO2-P2O5复合膜表面状态发生了变化,从而改变了与催化剂的接触引起的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 全氟磺酸型质子交换膜的研究
• 1.3 全氟磺酸型质子交换膜的掺杂改性研究
• 1.3.1 无机-有机氧化物掺杂的全氟磺酸型质子交换膜
• 1.3.2 杂多酸掺杂的全氟磺酸型质子交换膜
• 1.4 部分氟化的磺酸型质子交换膜
• 1.5 非氟型质子交换膜
• 1.6 本论文的主要研究内容及课题来源
• 第2章 实验材料与研究方法
• 2.1 实验材料及实验使用仪器
• 2.2 以Nafion为基膜改性复合膜的制备
• 2.2.1 Nafion质子交换膜的预处理
• 2 复合膜的制备'>2.2.2 Nafion/SiO₂复合膜的制备
• 2 复合膜的制备'>2.2.3 磺化Nafion/SiO₂复合膜的制备
• 2-P₂O₅复合膜的制备'>2.2.4 Nafion/SiO₂-P₂O₅复合膜的制备
• 2.3 膜电极的制备
• 2.4 质子交换膜的物理测试与表征
• 2.4.1 质子交换膜的含水率、保水能力和溶胀率测试
• 2.4.2 质子交换膜热稳定性测试
• 2.4.3 扫描电镜-能谱（SEM-EDX）测试
• 2.4.4 XRD测试
• 2.5 电化学测试
• 2.5.1 质子电导率测试
• 2.5.2 极限扩散电流测试
• 2.5.3 膜电极的电化学阻抗测试
• 2.5.4 膜电极极化曲线和功率密度测试
• 2复合膜及其磺化质子交换膜的制备与研究'>第3章 Nafion/SiO₂复合膜及其磺化质子交换膜的制备与研究
• 2 复合膜的物理表征'>3.1 复合量不同的Nafion/SiO₂复合膜的物理表征
• 2 复合膜形貌及Si元素分布'>3.1.1 复合量不同的Nafion/SiO₂复合膜形貌及Si元素分布
• 2 复合膜含水率、溶胀率和保水能力分析'>3.1.2 复合量不同Nafion/SiO₂复合膜含水率、溶胀率和保水能力分析
• 3.1.3 质子交换膜热稳定性分析
• 3.1.4 XRD测试结果分析
• 2 复合膜中的渗透研究'>3.2 甲醇和二甲醚在Nafion/SiO₂复合膜中的渗透研究
• 2 复合膜中的渗透研究'>3.2.1 甲醇在Nafion/SiO₂复合膜中的渗透研究
• 2 复合膜中的渗透研究'>3.2.2 二甲醚在Nafion/SiO₂复合膜中的渗透研究
• 2 复合膜在充分含水态时电导率测试'>3.3 不同复合量的Nafion/SiO₂复合膜在充分含水态时电导率测试
• 2 复合膜性能测试及分析'>3.4 磺化的Nafion/SiO₂复合膜性能测试及分析
• 3.5 膜电极性能测试
• 3.5.1 甲醇溶液中膜电极性能测试
• 3.5.2 二甲醚溶液中膜电极性能测试
• 3.6 本章小结
• 2-P₂O₅复合膜的制备与研究'>第4章 Nafion/SiO₂-P₂O₅复合膜的制备与研究
• 2-P₂O₅ 复合膜的物理表征'>4.1 Nafion/SiO₂-P₂O₅复合膜的物理表征
• 2-P₂O₅复合膜形貌及Si、P元素分布'>4.1.1 Nafion/SiO₂-P₂O₅复合膜形貌及Si、P元素分布
• 2-P₂O₅复合膜含水率和溶胀率分析'>4.1.2 Nafion/SiO₂-P₂O₅复合膜含水率和溶胀率分析
• 2-P₂O₅复合膜热稳定性研究'>4.1.3 Nafion/SiO₂-P₂O₅复合膜热稳定性研究
• 2-P₂O₅复合膜的XRD测试结果分析'>4.1.4 Nafion/SiO₂-P₂O₅复合膜的XRD测试结果分析
• 2-P₂O₅ 复合膜中的渗透研究'>4.2 甲醇和二甲醚在Nafion/SiO₂-P₂O₅复合膜中的渗透研究
• 2-P₂O₅ 复合膜中的渗透研究'>4.2.1 甲醇在Nafion/SiO₂-P₂O₅复合膜中的渗透研究
• 2-P₂O₅ 复合膜中的渗透研究'>4.2.2 二甲醚在Nafion/SiO₂-P₂O₅复合膜中的渗透研究
• 2-P₂O₅ 复合膜充分含水态时的质子电导率测试分析'>4.3 Nafion/SiO₂-P₂O₅复合膜充分含水态时的质子电导率测试分析
• 4.4 膜电极性能测试
• 4.4.1 甲醇溶液中膜电极性能测试
• 4.4.2 二甲醚溶液中膜电极性能测试
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢