燃料电池质子交换膜的结构调控研究.pdfVIP

摘 要 质子交换膜燃料电池（简称 PEMFC ）以其高效、环保及能量密度高等诸多 优势而具有广阔的发展前景。PEMFC 性能强烈依赖于所用质子交换膜的质子导 电率，但目前PEMFC 中所广泛采用质子交换膜的导电率并不理想，尤其是在高 温和低湿度的条件下。本论文在提高 Nafion 膜和磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜质 子导电率方面进行了新的尝试。 我们首次采用 Nafion/ N,N- 二甲基甲酰胺(Nafion/DMF)和非溶剂四氯乙烯 （TCE ）组成的分相铸膜液制备Nafion 膜。所得 Nafion 膜中亲水通道尺寸增加， 相分离程度加剧，亲水团簇变大，膜的含水量大幅度提高。室温下 Nafion 膜透 水率和垂直向质子导电率均提高了 20% 。首次采用 SPEEK/DMF/TCE( 或 SPEEK/DMF/对二甲苯（PX ）)分相铸膜液体系制得 SPEEK 膜，其透水率提高了 30%，垂直向质子导电率提高了40%左右。 在成膜过程中对上述分相铸膜液体系施加沿膜厚方向的交流电场，制得的 Nafion 膜内碳氟链形成的纤维状结构沿电场方向线性排列，而侧链上的离子基团 在这些纤维状结构的表面附近分布。膜的含水率、透水率及垂直向质子导电率较 未经电场修饰的膜有显著提高。我们分别在电场频率为 0.1Hz 、1Hz、10Hz 和 100Hz 的条件下制备了一系列 Nafion 膜，发现电场作用于铸膜液的最佳频率为 1Hz，在此频率下制得膜的垂直向导电率最高。还利用铸膜液水平向电阻监测装 置实时测量铸膜液在成膜过程中水平向阻值的变化，发现电场对均相的 Nafion/DMF 体系无定向效果。 采用光散射法、粒径测试法及特性粘数分析法分别表征了 Nafion/DMF/TCE 铸膜液体系的分相临界点、粒径大小和分布以及非溶剂对聚合物分子构象的影 响。当 TCE 含量为 55%时，Nafion/DMF/TCE 体系内部开始分相。随着 TCE 含 量的增加聚合物在溶剂中的特性粘数随之降低，微团粒径则先减小后增加。 关键词： Nafion 电场 非溶剂 质子导电率 透水率 燃料电池 ABSTRACT Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) have an expansive developing foreground ,since they offer numerous benefits, including high efficiency, environmental protection and high power density. The performance of PEMFC is greatly dependent on the proton conductivity of the membranes.However, the proton conductivity of membranes widely used in PEMFC is undesirable, especially in conditions of high temperature and low humidity . In this study, a new attempt is to improve the water content and the proton conductivity of Nafion and solfonated poly （ether ether ketone ） (SPEEK) membranes. For the first time, membrane casting solution of Nafion dispersed in the mixture of solvent dimethyl formamide (DMF) and nonsolvent tetrachloroethylene (TCE) is used to prepare Nafion electrolyte membranes. The microstructure ,the proton condu