用于高温质子交换膜燃料电池的Nafion复合膜研究

摘要

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效环保的新型电源，有着广泛的应用前景。PEMFC在高温（＞100?C）条件下运行时，具有更快的电极反应动力学、更高的CO耐受性以及更简单的水热管理，从而可以解决燃料电池在低温运行时遇到的诸多问题。然而，目前普遍采用的美国DuPont公司生产的Nafion膜的导电性能严重依赖膜内水的含量，在高温时该膜因失水而导电率迅速下降，不能满足PEMFC高温运行的性能要求，因此研究开发能够在高温下仍具有优异性能的质子交换膜势在必行。质子交换膜的水吸收率、微观结构等均会对膜的质子导电率形成影响，通过调控膜的微观结构可以改善其质子传导性能。基于Nafion膜具有良好的热、化学稳定性，本论文对其进行磷酸化的TiO2纳米管掺杂改性，期望通过膜微观结构的重新排布来提高 Nafion膜在高温下的质子传导率，改善膜在高温下的性能。
　　经氨水处理后的磷酸化 TiO2纳米管表面带有更多的电荷，抑制了纳米管之间的团聚，从而制备出纳米管均匀分散的Nafion/磷酸化TiO2纳米管复合膜。磷酸化的TiO2纳米管具有较大的比表面积和长径比，在复合膜中起到调控膜微观结构的作用。通过 Nafion膜内的磺酸基团与纳米管表面的磷酸基团相互作用，膜内的亲水离子团簇沿管表面分布形成连续的亲水离子通道。测试结果表明：在磷酸化TiO2纳米管的作用下，复合膜亲水离子团簇尺寸从纯Nafion膜的3.65 nm增加到5 nm以上，且形成较长且连续的质子传输通道，改善后的微观结构有效地促进了质子在膜内的传递。
　　吸湿性的磷酸化TiO2纳米管提高了Nafion复合膜的水吸收率，促进膜内形成传输质子的氢键网络。纳米管表面的磷酸基团提供了额外的质子，使含磷酸化TiO2纳米管的复合膜的离子交换容量（IEC）从纯Nafion膜的0.923 mmol·g-1最多增加至0.956 mmol·g-1，Nafion膜在高温下的质子导电率也明显改善。实验结果表明：在较高温度和较高相对湿度（RH）下，复合膜具有更优的质子传导性能。在100℃和100％RH条件下，含质量分数1%的磷酸化TiO2纳米管的复合膜的质子导电率为0.154Scm-1，较纯Nafion膜的0.139 Scm-1提高了10%。当温度超过100℃时，该复合膜的质子导电率仍高于纯Nafion膜的质子导电率。在高温低湿条件下复合膜的质子导电率也有小幅度的提升，高温下 Nafion膜的性能得到改善。

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第一章 综述

1.1燃料电池概述

1.2质子交换膜燃料电池

1.3高温质子交换膜研究进展

1.3.1 高温质子交换膜燃料电池的特点

1.3.2新型结构的磺化质子交换膜

1.3.3含磷酸的质子交换膜

1.3.4 复合质子交换膜

1.3.5 其他质子交换膜

1.4论文的研究目的与内容

第二章 实验材料与表征方法

2.1 实验试剂与材料

2.2 实验仪器

2.3 结构表征

2.3.1 傅里叶变换红外光谱（FTIR）

2.3.2透射电子显微镜（TEM）

2.3.3 BET比表面积

2.3.4场发射扫描电镜（FESEM）和能谱分析（EDX）

2.3.5小角X射线散射（SAXS）

2.3.6原子力显微镜（AFM）

2.4 性能表征

2.4.1 Zeta 电位

2.4.2热重分析（TGA）

2.4.3 膜的水吸收率

2.4.4膜的离子交换容量（IEC）

2.4.5 膜的质子导电率

第三章 Nafion/磷酸化TiO2纳米管复合膜的制备与表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1磷酸化TiO2纳米管的制备

3.2.2 Nafion/磷酸化TiO2纳米管复合膜的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 磷酸化TiO2纳米管的表征

3.3.2 复合膜微观形貌表征

3.3.3 复合膜物理化学特性表征

3.2.4 复合膜离子交换容量（IEC）和水吸收率表征

3.2.5 复合膜质子传导性能表征

第四章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢