基于全氟磺酸樹脂改性的高溫質子交換膜的研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池(PEMFC)由于其高能量轉化效率和無污染而在交通動力源和固定電站電源的應用方面具有很大的潛力。提高燃料電池的工作溫度是解決水熱管理復雜、催化劑中毒的有效措施之一；同時也可以改善電池陰陽兩極尤其是陰極的氧還原反應動力學，進而提高電池工作效率。然而，目前常用的全氟磺酸(PFSAs)型膜材料(如Nafion膜)的導質子能力具有較強的濕度依賴性，其較低的玻璃化溫度也限制了電池的工作溫度。因此，研究開發(fā)可以在高溫低濕度運行的質

2、子交換膜成為實現(xiàn)燃料電池高溫運行的必要條件。基于上述認識，本文首先結合文獻分析研究了適合質子交換膜導質子能力的測試方法，并對基于全氟磺酸(PFSAs)樹脂的改性、摻雜TiO2納米粒子膜和短支鏈PFSA膜在高溫低濕環(huán)境下的性能進行了研究，探索有望在高溫低濕度運行的質子交換膜。通過研究得到以下結論：
　　 (1)用交流阻抗法測試質子交換膜的質子傳導率時，應選用Q(RC)作為等效電路。其對應的標準Nyquist譜圖中，高頻段的半圓，反

3、映的是膜的性質，半圓的直徑為膜的體電阻；低頻段的斜線，反映的是膜與電極界面的性質。測試時，應增大交流信號的起始頻率，以盡可能地得到更多半圓部分；得到阻抗譜圖后，應選擇擬合法對Nyquist點進行擬合，以求得膜的阻抗值。
　　 (2)采用靜電自組裝和有機-無機原位復合技術制備了Nafion-TiO2復合質子交換膜并研究了Nafion與TiO2納米顆粒二者結合的狀態(tài)。TEM分析表明納米TiO2顆粒粒徑約為4 nm，分布均勻，XRD分

4、析證實摻雜的納米TiO2不影響Nafion骨架的結晶狀態(tài)。Nafion/TiO2復合膜比Nafion均質膜表現(xiàn)出更好的高溫保水能力、熱穩(wěn)定性和質子傳導率，可用于高溫PEMFC膜材料。
　　 (3)對短支鏈的Aquivion膜與長支鏈的Nafion211膜的結構和性能進行比較，由紅外和X射線衍射測試表明這兩種膜具有相似的化學結構和晶體結構，且Aquivion膜的結晶度更高。熱重和熱機械分析表明Aquivion膜的熱穩(wěn)定性更好，拉伸