自組裝燃料電池HPA-meso-silica無機(jī)質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)研究.pdf

1、貴金屬Pt資源短缺與燃料電池電極催化方式的矛盾已經(jīng)成為質(zhì)子交換膜燃料電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)用必須逾越的技術(shù)瓶頸。2007年全球Pt產(chǎn)量約為6.66百萬盎司，供應(yīng)缺口已經(jīng)超過0.256百萬盎司。運行溫度高于100℃的高溫燃料電池被認(rèn)為可以克服催化劑中毒、加快電極反應(yīng)速率、簡化水熱管理系統(tǒng)、降低催化劑中貴金屬Pt的使用量，因而成為燃料電池研究領(lǐng)域的熱點之一。然而，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的全氟磺酸質(zhì)子交換膜(如Nafion膜，Dupont公司)質(zhì)子傳導(dǎo)率嚴(yán)重依賴液

2、態(tài)水，在電池溫度升高時由于液態(tài)水含量下降電導(dǎo)率很低，因此難以在100℃以上運行。無機(jī)質(zhì)子傳導(dǎo)材料近年來逐步進(jìn)入高溫燃料電池研究者的視線，由于不受玻璃化溫度的限制從而具有良好的熱穩(wěn)定性，同時具有良好的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，是一種非常有前景的高溫燃料電池用質(zhì)子傳導(dǎo)材料。本文基于之前介孔SiO2負(fù)載磷鎢酸這種無機(jī)傳導(dǎo)材料的研究，利用Nafion作助表面活性劑，采用靜電多相自主裝的方法合成了Nafion/介孔SiO2/磷鎢酸無機(jī)質(zhì)子交換膜，研究了這種無

3、機(jī)質(zhì)子交換膜在低溫和高溫下的性能。得到以下結(jié)論：
　　 (1)采用自制的測試粉末質(zhì)子電導(dǎo)率的裝置，測試了HPW(磷鎢酸)，HPMo(磷鉬酸)，HSiW(硅鎢酸)三種無機(jī)酸的質(zhì)子電導(dǎo)率，其中HPW17H2O在15℃電導(dǎo)率為0.015S/cm，高于HSiW，與HPMo相當(dāng)，但考慮其優(yōu)越的物理化學(xué)穩(wěn)定性，所以選取HPW負(fù)載在有序的氧化硅無機(jī)質(zhì)子交換膜上。
　　 (2)采用多相靜電自組裝的方法，利用Nafion作為助表面活性劑合

4、成了高度有序的Nafion/介孔SiO2/磷鎢酸電解質(zhì)，小角XRD結(jié)果表明其高度有序且具有二維六方孔道結(jié)構(gòu)，孔道直徑為6nm。場發(fā)射SEM元素分析膜中含有硫、鎢等元素，證明Nafion、磷鎢酸在膜中分布均勻。膜在低溫和高溫都表現(xiàn)出較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，在200℃，干態(tài)下膜的電導(dǎo)率高達(dá)0.044S/cm。
　　 (3)不同Nafion含量的Nafion-Silica-HPW電解質(zhì)通過多相靜電自組裝的方法制備而成，并對其當(dāng)結(jié)構(gòu)及性能產(chǎn)生

5、不同程度的影響，當(dāng)Nafion成分低于30wt％時，Nafion-Silica-HPW電解質(zhì)擁有高度有序的孔道結(jié)構(gòu)，當(dāng)Nafion含量增加至40％時，無法形成周期性的有序結(jié)構(gòu)。Nafion-Silica-HPW電解質(zhì)的吸水率隨著Nafion含量的增加而逐漸降低，最高吸水率接近100％，具有較好的高溫保水能力，低于30wt％Nafion無機(jī)膜在高溫和低溫均表現(xiàn)出較高的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，40wt％Nafion含量的無機(jī)膜低溫性能突出，但高溫性能