新型燃料電池用質(zhì)子交換膜的制備與性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜作為質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，起著傳導(dǎo)質(zhì)子、隔絕燃料及電子的作用。目前廣泛使用的以Nafion膜為代表的全氟磺酸膜存在制備工藝復(fù)雜、成本高、高溫性能下降等問(wèn)題。磺化聚醚醚酮(SPEEK)質(zhì)子交換膜在成本及阻醇性能上有明顯優(yōu)勢(shì)，有望用于質(zhì)子交換膜電池，然而具有高質(zhì)子傳導(dǎo)性能的高磺化度的SPEEK則存在水溶脹度大，尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械性能差等問(wèn)題。本文提出了利用溶液噴射納米纖維對(duì)SPEEK進(jìn)行改性，制備納米纖維支撐的SPEEK復(fù)合

2、膜，希望得到綜合性能良好的質(zhì)子交換膜(PEM)材料。
　　論文首先研究了PEEK的磺化工藝及磺化度對(duì)抗水溶脹性能的影響，結(jié)果表明當(dāng)SPEEK磺化度70％＞DS＞50％時(shí)，其質(zhì)子交換能力較強(qiáng)，且在水中有較好的穩(wěn)定性，適于作為改性質(zhì)子交換膜的基材。論文進(jìn)一步利用溶液噴射紡絲法制備了聚丙烯腈(PAN)基的碳納米纖維(CNF)和活化碳納米纖維(ACNF)，并將其浸漬在SPEEK溶液中，分別制備了兩種納米纖維支撐的SPEEK復(fù)合膜（CNF/

3、SPEEK和ACNF/SPEEK）。所制備的CNF平均直徑為250±54nm，ACNF平均直徑為160±40nm，具有三維卷曲結(jié)構(gòu)。兩種復(fù)合膜均表現(xiàn)了良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能;20℃時(shí)CNF含量為2.52％的CNF/SPEEK膜的吸水率為44％，電導(dǎo)率為0.056S/cm，相比于SPEEK純膜，這些性能均有較大的提高。而ACNF由于多孔性的特點(diǎn)，對(duì)于復(fù)合膜的吸水，保水有更強(qiáng)的增強(qiáng)作用，進(jìn)一步增加了復(fù)合膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，所制備的ACNF含量

4、為2.51％的ACNF/SPEEK的選擇性達(dá)到了8.91×104Sscm-3，是純SPEEK膜的1.5倍，Nafion的2倍以上。同時(shí)，這兩種復(fù)合膜具有更好的尺寸穩(wěn)定性，這是由于具有三維卷曲結(jié)構(gòu)的納米纖維相互纏結(jié)在一起，與SPEEK基體緊密的結(jié)合在一起，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)復(fù)合膜的尺寸穩(wěn)定性。
　　基于還原態(tài)PANI具有傳導(dǎo)質(zhì)子的特性，論文進(jìn)一步采用同軸溶液噴射紡絲法制備了具有皮芯結(jié)構(gòu)的PANI/SPEEK復(fù)合納米纖維，制備了FpANI