納米復(fù)合含硅質(zhì)子交換膜結(jié)構(gòu)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(zhì)子交換膜的主導(dǎo)地位，但是，耐高溫性能差是制約其進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素。目前，采用原位復(fù)合法制備有機(jī)-無機(jī)納米材料復(fù)合質(zhì)子交換膜是高溫質(zhì)子交換膜研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但是，采用該法所制備的Nafion/SiO2復(fù)合膜仍然存在很多問題，影響了復(fù)合膜性能的繼續(xù)改進(jìn)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上深入探討了Nafion/SiO2復(fù)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(xué)性

2、能以及單電池性能測試研究了復(fù)合膜的耐高溫性，設(shè)計(jì)了Nafion/SiO2復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)模型，并對復(fù)合膜的性能進(jìn)行了理論分析。此外，在降低質(zhì)子交換膜的成本的基礎(chǔ)上，探討了Nafion/SiO2/PTFE復(fù)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(fù)合膜的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度的降低?？紤]到含硅率對拉伸強(qiáng)度的負(fù)面影響，Nafion膜在乙醇和

3、水的混合溶液中的浸泡時(shí)間在30min以內(nèi)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(fù)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(nèi)的梯度分布的狀況。 (2) Nafion1135/SiO2復(fù)合膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最高可以達(dá)到189℃，而Nafion1135膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度只有130℃左右。Nafion1135/SiO2復(fù)合膜和Nafion

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

5、倍。當(dāng)電池溫度達(dá)到110℃時(shí)，Nafion1135膜的運(yùn)行曲線呈劇烈振蕩樣式，不能穩(wěn)定運(yùn)行，而Nafion1135/SiO2復(fù)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(yùn)行。說明Nafion1135/SiO2復(fù)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(fù)合的方法制備的Nafion/SiO2復(fù)合膜中的SiO2的納米結(jié)構(gòu)含有一定的親水基團(tuán)(Si-OH)，且以交聯(lián)和半交

6、聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(tuán)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(shè)計(jì)了Nafion/SiO2復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)模型，并對復(fù)合膜的性能進(jìn)行了理論分析。 (4) 采用負(fù)壓浸漬的方法可以制得填充度較好的Nafion/SiO2/PTFE復(fù)合膜，Nafion/SiO2/PTFE復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度和截面電導(dǎo)率與Nafion/PTFE復(fù)合膜相差