质子交换膜杂质的电化学阻抗检测及其质子化

摘要

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)是一种将化学能转化为电能的装置。它具有低污染，能量转化率高、不受卡诺循环限制，启动快等优点。在传统的化石能源消耗殆尽的今天，新能源的开发显得尤为迫切。质子交换膜燃料电池的这些优点决定了它在未来新能源中扮演着重要角色。
　　 燃料电池在使用过程中，一直处于极为复杂的环境中，难免在燃料电池中出现各种杂质，燃料电池的组件在制备过程中也会给电池本身带来杂质。现有的研究表明，外界引入杂质，如Ni2+、F-等离子，CO气体等杂质都会对燃料电池带来损害，降低燃料电池的性能。如Ni2+离子会造成Nafion膜电导率下降，CO会造成Pt催化剂的中毒，降低其催化能力。离子或气体杂质对Nafion膜的性能影响已有很多研究，但是对于一些有机物杂质如非离子型表面活性剂TritonX100对Nafion膜造成的影响，Nafion/PTFE复合质子交换膜在制备中带来的杂质对其本身性能的影响，Nafion/PTFE复合膜中杂质的去除方法等仍缺乏足够的研究。本文以电化学阻抗谱的方法研究了Na+离子以及表面活性剂Triton X100在Nafion膜、Nafion/PTFE复合膜中的含量与膜的电导率等性能之间的关系，Nafion/PTFE复合膜中杂质的去除方法以及去除杂质对Nafion/PTFE复合膜性能的提升效果。本文通过研究得到以下主要结论：
　　 (1)在Nafion树脂溶液中加入Na+和Triton X100，然后制备成含有一系列不同杂质含量的Nafion膜。与纯Nafion膜相比，加入杂质后Nafion膜的电导率出线明显的下降。随着杂质含量的不断提高，Nafion膜的电导率呈线性下降的趋势。加入等摩尔数Na+与Triton X100相比较，加入的Na+后Nafion膜的电导率下降更多。也即是，Na+的引入对Nafion膜的电导率危害性更大。
　　 (2)Nafion/PTFE复合膜的质子化能有效降低膜中的杂质含量，从而降低其阻抗，提高电导率。在不同的方法中，使用异丙醇或稀硫酸中的一种，以及去离子水的效果较差，其中使用稀硫酸的效果要比前者好。而异丙醇、稀硫酸和去离子水交替使用效果是最好的。使用该法对复合膜质子化3次以后，再增加质子化的次数，复合膜的阻抗无较大的变化。说明质子化3次能够充分的清洗去复合膜中的Na+和Triton X100。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪 论

1.1 杂质对燃料电池的危害

1.1.1 阳离子杂质对燃料电池的危害

1.1.2 阴离子杂质对燃料电池的危害

1.1.3 气体杂质对燃料电池的危害

1.2 质子传导机理及质子交换膜中的质子传导

1.2.1 质子的传导机理

1.2.2 质子交换膜中的质子传导

1.3 全氟磺酸质子交换膜及Nafion/PTFE复合质子交换膜

1.3.1 全氟磺酸质子交换膜

1.3.2 Nafion/PTFE复合质子交换膜

1.4 电化学阻抗谱在燃料电池研究中的应用

1.5 本论文的选题及拟解决问题

第2章 Nafion膜杂质(Na+、Triton X100)的电化学阻抗检测

2.1 实验部分

2.1.1 实验材料

2.1.2 制备含有Na+、Triton X100的Nafion膜

2.2 测试与表征

2.2.1 Nafion膜电导率的测量

2.2.2 电化学阻抗测试的等效电路

2.2.3 Zview软件拟合

2.3 结果与讨论

2.3.1 Nafion膜的电导率

2.3.2 Na+和Triton X100对电导率的不同影响对比

2.4 本章小结

第3章 Nafion/PTFE复合膜的质子化

3.1 实验部分

3.1.1 实验材料

3.1.2 Nafion/PTFE复合质子交换膜的质子化

3.2 测试与表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 Nafion/PTFE复合膜质子化不同方法对比

3.3.2 Nafion/PTFE复合膜质子化不同次数对比

3.4 本章小结

第4章 结论与展望

4.1 主要结论

4.2 展望

致谢

参考文献