溶膠-凝膠法制備SiO-,2--P-,2-O-,5--TiO-,2-無(wú)機(jī)電解質(zhì)薄膜及其性能的研究.pdf

1、燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝нB續(xù)發(fā)電裝置，是繼水力、火力和核能發(fā)電之后的新一代發(fā)電技術(shù)，是一種綠色能源技術(shù)。燃料電池的分類(lèi)有很多，主要還是以電解質(zhì)為依據(jù)，分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池五種類(lèi)型。目前，質(zhì)子交換膜燃料電池成為全世界研究的重點(diǎn)。PEMFC的主要優(yōu)點(diǎn)是固體電解質(zhì)無(wú)腐蝕，電池制造簡(jiǎn)單，對(duì)壓力變化不敏感和電池壽命長(zhǎng)。質(zhì)子交換膜

2、是質(zhì)子膜燃料電池的關(guān)鍵組件，其結(jié)構(gòu)組成直接決定著燃料電池的性能。 目前所使用的Nafion膜發(fā)展的難題在于膜的使用溫度低。膜的使用溫度達(dá)到100℃，其電導(dǎo)率將會(huì)大幅度下降。并且其材料價(jià)格昂貴，不利于普及使用。因此，無(wú)機(jī)材料用于制備質(zhì)子交換膜成為了研究熱點(diǎn)之一。國(guó)外對(duì)無(wú)機(jī)電解質(zhì)薄膜的研究尚處于探索階段，國(guó)內(nèi)有關(guān)Si02-P205-TiO2體系電解質(zhì)的研究尚未開(kāi)展。 本實(shí)驗(yàn)采用溶膠-凝膠法制備無(wú)機(jī)質(zhì)子交換膜。溶膠-凝膠法是一

3、種反應(yīng)溫度溫和，反應(yīng)組分比例易控制且制備產(chǎn)物純凈的濕化學(xué)方法。利用該方法使前驅(qū)體在分子水平上發(fā)生水解、縮聚，引入吸濕性金屬氧化物，然后與質(zhì)子傳導(dǎo)物質(zhì)在納米范圍內(nèi)進(jìn)行摻雜，形成一定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性和孔隙率。 本論文對(duì)無(wú)機(jī)質(zhì)子交換膜的研究，目的是探索新型無(wú)機(jī)非氟質(zhì)子交換膜，從而優(yōu)化質(zhì)子交換膜的制備工藝、成份配比，降低成本，提高其使用溫度。根據(jù)材料結(jié)構(gòu)考慮，確定了溶膠-凝膠法制備具有無(wú)定型網(wǎng)絡(luò)組織的Si02-P20

4、5-Ti02質(zhì)子交換膜。本課題采用正硅酸乙酯、水和無(wú)水乙醇混合溶液作為前驅(qū)體，摻雜磷酸三甲酯和鈦酸四丁酯，通過(guò)溶膠-凝膠法制備Si02-P2O5-Ti02質(zhì)子交換膜。 在成型過(guò)程中，分別采用壓制法和澆注法制備質(zhì)子交換膜。應(yīng)用XRD，SEM，TG，熱重分析技術(shù)對(duì)樣品的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。結(jié)果表明，制備的粉體及質(zhì)子交換膜均為無(wú)定性網(wǎng)絡(luò)組織，在升溫過(guò)程中無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有大量微孔，便于水分的儲(chǔ)存。 對(duì)

5、壓制成型法和澆注成型法制備的質(zhì)子交換膜進(jìn)行性能比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明澆注法成型的質(zhì)子交換膜的質(zhì)子電導(dǎo)率要高于壓制法成型的質(zhì)子交換膜，是由于內(nèi)部水分流動(dòng)速度增快加快了質(zhì)子傳導(dǎo)速率。并且解釋分析了低溫時(shí)兩者出現(xiàn)交叉的原因。 采用交流阻抗譜儀法測(cè)試質(zhì)子交換膜的質(zhì)子電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)表明，影響質(zhì)子電導(dǎo)率的因素很多，本論文詳盡論述了組成成分、溫度、厚度、相對(duì)濕度、頻率對(duì)質(zhì)子交換膜的影響機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電導(dǎo)率隨著溫度的升高而增大，這是由于溫度升高

6、，薄膜內(nèi)部的電荷移動(dòng)速度加快，內(nèi)部的附著水排出，薄膜內(nèi)部的孔隙率增大，從而使電導(dǎo)率增加。隨著膜厚度的增加，質(zhì)子電導(dǎo)率呈略微的下降趨勢(shì)，這是由于其內(nèi)部位阻增大，阻礙了質(zhì)子在其內(nèi)部的傳導(dǎo)速度。分析了磷元素和鈦元素對(duì)質(zhì)子導(dǎo)電率的影響機(jī)理，磷元素具有良好的吸濕性，但化學(xué)穩(wěn)定性較差，適量的鈦元素可以提高其質(zhì)子電導(dǎo)率。低頻作用時(shí)，空間電荷方向趨于有序化，使電阻值降低很快，即電導(dǎo)率增加的幅度很大。而在高頻時(shí)，電偶極子取向極化發(fā)生作用，在這種狀態(tài)下極性