直接甲醇燃料電池用新型質(zhì)子交換膜的制備與表征.pdf

1、質(zhì)子交換膜是直接甲醇燃料電池(DMFC)中的關(guān)鍵材料之一，阻止或減緩甲醇在質(zhì)子交換膜中的滲透是DMFC研究中最富有挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)課題之一。本論文工作以提高質(zhì)子交換膜的阻醇性能為目標(biāo)，研制和探索了多種新型質(zhì)子交換膜，考察了其結(jié)構(gòu)與性能，制備了兩種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的阻醇型質(zhì)子交換膜，獲得了以下創(chuàng)新性成果： (1)首先建立了阻醇型質(zhì)子交換膜的性能表征方法，主要包括甲醇透過系數(shù)的測定方法、電導(dǎo)率測定方法和復(fù)合膜中雜多酸穩(wěn)定性的評價方法等，

2、并組裝了相應(yīng)的測試裝置，為研制阻醇型質(zhì)子交換膜提供了研究手段。 (2)以SiO2、TiO2、Al2O3和ZnO等納米氧化物為改性劑，制備了的納米氧化物/Nafion(R)復(fù)合膜，XRD和IR分析表明納米氧化物嵌入了Nafion(R)膜中。比較了這些復(fù)合膜性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜的阻醇性能均有較大幅度的提高，且以SiO2和TiO2改性的Nafion(R)膜最為明顯，甲醇透過系數(shù)分別從～10-6cm2/s降低到～10-7cm2/s和～

3、10-8cm2/S數(shù)量級。比較了不同SiO2/含量的SiO2/Nafion(R)復(fù)合膜的性能，復(fù)合膜的質(zhì)子電導(dǎo)率隨著SiO2含量的增大而減小，但其阻醇性能卻隨SiO2含量的增大而增大。 (3)首次制備了磷鎢酸/二氧化硅/磺化聚醚醚酮(PTA/SiO2/SPEEK)復(fù)合膜，XRD和IR測試結(jié)果表明二氧化硅和磷鎢酸以無定形狀態(tài)均勻分散于復(fù)合膜中。穩(wěn)定性實驗發(fā)現(xiàn)磷鎢酸在復(fù)合膜有較好的穩(wěn)定性，復(fù)合膜具有良好質(zhì)子傳導(dǎo)性能(在80℃下電導(dǎo)率

4、達(dá)0.01S/cm)和阻醇性能(甲醇透過系數(shù)～10-7cm2/s)，有望作為直接甲醇燃料電池用質(zhì)子交換膜材料。 (4)通過磺化反應(yīng)把—SO3H基團引入了聚醚砜(PES)的骨架，IR測試結(jié)果證明了磺化聚醚砜(SPES)中—SO3H基團的存在。SPES膜在室溫下的電導(dǎo)率和甲醇透過系數(shù)隨著磺化度的增大而增大，當(dāng)磺化度為31.2％的SPES膜的電導(dǎo)率達(dá)2.3×10-3S/cm，甲醇透過系數(shù)在～10-7cm2/s；制備了PES/SPES共

5、混膜，首次探討了其阻醇性能，PES的加入導(dǎo)致甲醇透過系數(shù)降低，提高了膜的阻醇性能，當(dāng)PES含量是50％時，甲醇透過系數(shù)降低到～10-9cm2/s。 (5)制備了不同聚醚砜(PES)含量的聚醚砜/磺化聚醚醚酮(PES/SPEEK)共混膜。測試共混膜玻璃化轉(zhuǎn)變溫度發(fā)現(xiàn)，PES與SPEEK具有良好的相容性；共混膜的TGA測試結(jié)果顯示，PES提高了SPEEK膜的熱穩(wěn)定性；與純SPEEK膜相比，PES/SPEEK共混膜阻醇性能和溶脹性能有

6、所提高，且PES含量增加，性能也逐步增加，當(dāng)PES含量在30％時，甲醇透過系數(shù)在10-8～10-9cm2/s之間，預(yù)示PES/SPEEK共混膜是一種良好的DMFC用質(zhì)子交換膜材料。 (6)制備了多種基于SPEEK的多層阻醇復(fù)合膜，提高了SPEEK等烴類膜的抗氧化能力。Nafion(R)｜SPEEK｜Nafion(R)和Nafion(R)-TiO2｜SPEEK｜Nafion(R)-TiO2多層復(fù)合膜的性能有所改善。首次制備了Naf