不同热处理温度对短链全氟磺酸树脂膜结构和性能的影响

摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种具备高的能源转化效率的，零排放的电化学装置。其中，质子交换膜（PEM）作为燃料电池的电解质，不仅是电荷转移的介质，同时也起到阻隔反应气体的作用，是燃料电池中至关重要的组成部分。目前，质子交换膜主要是由全氟磺酸树脂制备而成，而全氟磺酸树脂的结构对其中电荷的转移速率和气体渗透率均会产生很大的影响。另外，全氟磺酸树脂的结构对温度较为敏感，在不同温度下制备的质子交换膜的结构有所不同，因此有必要研究全氟磺酸树脂的热性能。
　　已有研究表明，在一定范围内，对长链全氟磺酸树脂膜进行热处理，可以提高膜的电导率，降低膜的溶胀应力，以及增强膜的机械性能。但是，随着燃料电池应用的不断扩大，单独的长链全氟磺酸树脂膜不适合在高温低湿环境下燃料电池的应用，因此对适合在高温低湿环境下的短链全氟磺酸树脂膜的研究已经迫在眉睫。本文利用苏威公司生产的短链全氟磺酸树脂为原料，对不同热处理温度后的短链全氟磺酸树脂膜进行结构和性能的分析，同时对各种不同的全氟磺酸树脂复合膜在制备过程中变色问题进行研究，得出以下主要结论：
　　（1）在140℃-270℃之间不同温度制备短链全氟磺酸树脂膜，膜内结晶度随热处理温度升高而升高，使膜内离子团簇排布更加紧密和规整，提高膜的机械强度。同时由于热处理后膜内离子团簇排布更加紧密和规整，为质子传输提供了良好的通道，提高了质子导电率。另外，热处理温度越高，短链全氟磺酸树脂膜的含水量越低，可有效降低膜在干湿循环下由于溶胀应力造成的破坏。
　　（2）复合膜的制备过程中加入一定量的表面活性剂可以增加ePTFE多孔膜内空隙的树脂填充率，但是复合膜经过一定程序的后续处理后，表面活性剂并不能完全的除去，残留的表面活性剂会促使H型全氟磺酸树脂膜变色，但是并不能使 Na型全氟磺酸树脂膜变色。这可能是因为，Na+的存在使膜内形成强大的静电网络，是膜内支链按照一定规则运动，而 H型树脂受热时，膜内支链做无规则运动，同时残留表面活性剂还会促进这种无规则运动。

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第1章 绪 论

1.1 燃料电池的运行机理以及全氟磺酸树脂的结构和质子在其中的传输机理

1.2 全氟磺酸树脂膜的制备方法

1.3 全氟磺酸树脂的热力学性质

1.4 本论文选题及拟解决问题

第2章 不同温度热处理对短链树脂结构及性能的影响

2.1 实验部分

2.2 测试与表征

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 短链复合质子交换膜的制备及相关分析

3.1 实验部分

3.2 测试与表征

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 复合膜受热变色原因的探究

4.1 实验材料

4.2 实验过程

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文