高性能多孔聚四氟乙烯增强复合质子交换膜合成及燃料电池性能研究

摘要

质子交换膜燃料电池技术倚重于质子交换膜和电催化剂两种关键材料的发展.质子交换膜主要起着阳极和阴极的电子隔离和反应气的隔离作用,并且提供电解质的质子导电功能.质子交换膜位于燃料电池中的膜电极三合一(MEA)的中间位置,在燃料电池研究中愈来愈显更为至关重要的作用.复合型质子交换膜是当前的研究热点之一. 本论文通过提高膜的机械强度、降低膜厚度,以提高电池性能、降低成本为目标,研究和开发燃料电池用质子交换膜.薄膜显著降低电池内阻而提高电池性能,同时薄膜降低膜材料使用量因而降低成本.通过对多孔PTFE膜进行液相介质氧化处理,改善了其浸润性,提高了离子聚合物(如 Nafion 或 SPSU)与 PTFE 之间的界面相容性；合成了厚 15-30 μm 致密的 Nafion/PTFE 和SPSU/PTFE增强复合质子交换膜；研究了增强复合自增湿质子交换膜(Pt-SiO<,2>催化剂、Nafion和PTFE复合物,简称Pt-SiO<,2>/NP),膜内吸湿性的纳米级SiO<,2>担载Pt催化剂提高阳极的自增湿功能和降低阴极混合电位,因而提高了其电池开路电压(OCv)和电池性能,同时利于膜内的水平衡；研究了基于双磺化聚醚砜浸渍膨胀拉伸多孔PTFE的复合质子交换膜(SPSU/PTFE).采用Pb<'2+>染色TEM手段研究了IONOMEWP/RTFE类型复合膜(如Nafion/PTFE)的离子簇微相区的结构,发现膜内离子簇团的定向聚集现象,并探讨了离子簇团定向聚集与膜的质子传导机理的关联.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章文献综述

2.1全氟磺酸质子交换膜

2.1.1 Nafion(R)质子交换膜微观结构

2.1.2 Nafion质子交换膜性质研究

2.2非氟烃类质子交换膜

2.3机械增强质子交换膜

2.4自增湿功能复合质子交换膜

2.5质子交换膜研究趋势

2.6文献总结

2.7本论文研究思路和主要内容

参考文献

第三章Nafion/PTFE增强复合质子交换膜的合成、表征与燃料电池性能研究

3.1引言

3.1.1 Nafion/PTFE膜相关研究

3.1.2膜厚度对燃料电池的性能的影响

3.1.3研发Nafion/PTFE膜思路

3.2实验部分

3.2.1多孔聚四氟乙烯的表面处理改性及表征

3.2.2 Nafion/PTFE复合膜的合成

3.2.3 Nafion/PTFE复合膜的表征

3.2.4膜电极三合一组件的制备及单电池测试

3.3结果与讨论

3.3.1多孔聚四氟乙烯处理前后的水接触角及表面能

3.3.2膜的表征

3.3.3 Nafion/PTFE复合膜的燃料电池单池测试

3.3.4燃料电池中膜的面电阻测量

3.4小结

参考文献

第四章Pt-SiO2/NP增强复合自增湿质子交换膜合成、表征与燃料电池性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1 Pt-SiO2/NP膜和NP膜的制备

4.2.2膜的表征

4.2.3 Pt-SiO2/NP膜的自增湿效果

4.3结果与讨论

4.3.1 Pt-SiO2/NP膜的自增湿机理

4.3.2膜的表征

4.3.3 Pt-SiO2/NP膜自增湿效果的实验分析

4.3.4 Pt-SiO2/NP膜内配比参数、常压氢空、零下低温冷冻次数对其自增湿电池性能影响、以及高温操作电池性能

4.4小结

参考文献

第五章SPSU/PTFE增强复合质子交换膜合成、表征与燃料电池性能研究

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1膨胀拉伸PTFE膜的预处理和接触角实验

5.2.2 SPSU/PTFE膜、SPSU膜和Nafion/PTFE膜的合成

5.2.3膜的表征

5.2.4单池燃料电池评价

5.3结果与讨论

5.3.1膨胀拉伸PTFE膜的接触角

5.3.2 SPSU/PTFE膜的合成

5.3.3膜的物理化学性质和电化学性质

5.3.4膜的SEM和EDS表征

5.3.5膜的单池测试

5.3.6膜的面电阻

5.4小结

致谢

参考文献

第六章IONOMER/PTFE复合膜离子簇定向聚集现象及质子传导机理探索研究

6.1引言

6.2实验部分

6.2.1 IONOMER/PTFE复合膜制备

6.2.2 Pb2+染色膜样品TEM样品制备

6.2.3 Pb2+染色膜样品的TEM照片的图像处理

6.3结果与讨论

6.3.1 PTFE膜的SEM照片

6.3.2 Pb2+染色膜样品的TEM照片及其图像处理分析

6.3.3 Nafion/PTFE复合膜的质子传导机理

6.4小结

参考文献

第七章结论

进一步工作设想

作者简介及攻读博士学位（大化所）和硕士学位（大工）期间发表文章目录

致谢