全氟磺酸樹脂改性膜的制備及其在燃料電池中的應用.pdf

1、在實際應用過程中全氟磺酸樹脂膜仍具有許多不盡人意的地方：1.高昂的價格大大阻礙了PEMFC的商業(yè)化進程。2.用于DMFC時，存在著嚴重的甲醇滲透問題。3.膜的質(zhì)子導電性強烈依賴膜中水的含量，燃料電池尤其是便攜式燃料電池在不加濕條件下操作時，膜的失水會引起質(zhì)子電導率的顯著下降，從而導致電池性能的明顯下降。因此對全氟磺酸樹脂膜的改性工作成為一項重要的研究課題。 本論文工作針對以上存在的問題，從阻醇和提高質(zhì)子電導率兩方面對全氟磺酸樹脂

2、膜進行改性，制備新型質(zhì)子交換膜。主要工作包括以下幾方面。 用磺化度為30％的磺化聚砜(SPSF)對全氟磺酸膜改性，制備了PFSA／SPSF復合膜。對制備的復合膜進了紅外光譜、甲醇滲透率和質(zhì)子電導率的性能表征，研究結(jié)果表明，PFSA／SPSF膜的含水率和水中溶脹性能都比PFSA膜小。SPSF含量為5％時復合膜表現(xiàn)出最好阻醇性能，SPSF中的芳香環(huán)具有很強憎水性，有效阻擋了極性分子甲醇的滲透。同時SPSF中含有導質(zhì)子的磺酸基，因此用

3、SPSF對PFSA膜改性后，復合膜的質(zhì)子電導率稍微下降，SPSF5％膜在室溫下水平方向的質(zhì)子電導率是7.7×10-2S cm-1，而PFSA膜在相同條件下的質(zhì)子電導率是O．11 S cm-1，二者相差不大。對SPSF5％和PFSA膜在70℃下的直接甲醇燃料電池性能做了測試，結(jié)果表明低電流密度下SPSF5％膜的電池性能優(yōu)于PFSA膜，這主要是SPSF5％膜的阻醇性能起主導作用。用W03對PFSA膜改性，制備了具有動態(tài)導電效應的W03／PF

4、SA復合膜，動態(tài)電導是指在電池工作過程中，復合膜中的W03形成導電的鎢青銅，降低膜電阻而提高整體膜電極的電導率。對復合膜的形貌測試結(jié)果表明所制備的復合膜均勻而且致密，W元素均勻分布在整個膜中。熱重實驗表明用W03對PFSA膜改性后，不僅提高膜的含水率同時提高膜的熱穩(wěn)定性。復合膜在45℃無外增濕條件下的電池性能明顯好于Nafion(R)112膜，現(xiàn)場交流阻抗技術(shù)跟蹤檢測電池電阻，發(fā)現(xiàn)在電池工作過程中復合膜的電阻比Nafion(R) 12膜

5、有較大降低。與靜態(tài)質(zhì)子電導率相比，復合膜在電池工作過程中的動態(tài)質(zhì)子電導率有明顯提高，這主要是因為膜中WO3在電池工作過程中產(chǎn)生spill over效應，提高了復合膜的動態(tài)質(zhì)子電導率。 采用原位聚合的方法，在Nation(R)112膜中化學聚合聚苯胺(PANI)。用0.1mol-L-1的(NH4)28208做氧化劑時，得到具有長鏈共軛結(jié)構(gòu)的PANI，并且PANI主要聚合在膜的兩側(cè)。PANI／Nafion復合膜在低濕度下的質(zhì)子電導率

6、高于Nation(R)112膜，相應含水率測試結(jié)果表明復合膜的含水率低于Nafion(R)112膜，說明復合膜在低濕度條件下質(zhì)子電導率的提高是膜自身質(zhì)子電導率的提高，而不是膜的保水能力的提高所致。濕度降低后，復合膜中PANI起到傳導質(zhì)子的作用，降低了膜的質(zhì)子電導率對水的依賴性。相應地電池在無外增濕系統(tǒng)下工作時，在溫度超過45℃的失水情況下，復合膜的電池性能明顯地好于Nation(R)112膜，即PANI／Nafion復合膜電池的工作適用