燃料电池用改性Nafion膜的制备与性能研究

摘要

质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件，起着传导质子、隔绝燃料及电子的作用。目前广泛使用的是以Nafion膜为代表的全氟磺酸膜，Nafion膜具有机械强度高、化学稳定性好和高湿度下质子导电率高等优点，但其成本高、甲醇渗透率高等缺点极大限制了其在PEMFC中的应用，尤其是直接甲醇燃料电池(DMFC)的应用。本文提出了利用溶液喷射纳米纤维对Nafion进行改性，制备纳米纤维支撑的Nafion复合膜，以期得到综合性能良好的质子交换膜(PEM)材料。主要研究内容如下:
　　论文首先利用溶液喷射纺丝方法纺制了SPEEK纳米纤维，再通过溶液浸渍的方法，制备了纳米纤维含量不同的SPEEK纳米纤维/Nafion复合膜。所制备SPEEK纳米纤维形态良好，平均直径在80-210nm之间，具有一定的卷曲度。复合膜具有良好的热稳定性和机械性能。20℃下，纳米纤维含量为10％的SPEEK/Nafion复合膜的吸水率为21.7％，电导率为0.09 S/cm，阻醇率为9.9×10-7cm2/s，与Nafion117膜相比，这些性能均有较大程度的提高。复合膜吸水率提高的同时溶胀率没有增大，这是由于纳米纤维在复合膜中起到一个骨架作用，限制了膜的溶胀。同时，复合膜较Nafion117具有更好的选择性，SPEEK/Nafion-10复合膜的选择性最好，选择性值为9.2×104 Sscm-3。
　　基于三硅醇苯基POSS(TSP POSS)具有高的吸水性能和独特的结构特点，论文进一步通过溶液喷射纺丝法纺制了SPEEK/POSS纳米纤维，然后制备了SPEEK/POSS纳米纤维/Nafion复合膜。实验结果表明，复合膜的热稳定性、吸水率和溶胀率、质子传导率、阻醇率都有所改善。POSS含量为0.04的复合膜在常温条件下，质子电导率可以达到0.094 S/cm。所得复合膜的甲醇渗透率都低于Nafion膜和SPEEK/Nafion复合膜。同时，复合膜具有比Nafion膜更好的选择性，SPN-0.04膜的选择性为1.17×105 Sscm-3，是Nafion117的数值2倍以上。
　　基于磷钨酸(PWA)具有质子传导的特性，论文进一步制备了SPEEK/PWA纳米纤维/Nafion复合膜。复合膜的质子传导率优于Nafion膜和SPEEK/Nafion膜，同时，复合膜的甲醇渗透率较Nafion膜有所改善。上述结果表明利用纳米纤维对质子膜进行改性的方法和有机无机结合的方法在提高质子膜的质子传导率方面是可行的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 燃料电池

1．2．1 燃料电池的发展历史

1．2．2 燃料电池的分类和特点

1．3 质子交换膜燃料电池

1．3．1 质子交换膜燃料电池简介

1．3．2 质子交换膜燃料电池工作原理

1．3．3 质子交换膜燃料电池的特点及应用前景

1．4 质子交换膜

1．4．1 质子交换膜的概述

1．4．2 全氟磺酸型质子交换膜

1．4．3 非氟质子交换膜

1．5 全氟磺酸膜的改性研究

1．5．1 Nafion与无机物复合膜

1．5．2 Nafion与有机物复合膜

1．5．3 Nafion／纳米纤维复合膜

1．6 纳米纤维的制备方法

1．6．1 静电纺丝法

1．6．2 溶液喷射纺丝法

1．7 本论文研究内容及意义

第二章 SPEEK纳米纤维／Nafion复合质子交换膜的制备与性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 SPEEK的制备

2．2．3 SPEEK纳米纤维的制备

2．2．4 SPEEK纳米纤维／Nafion复合质子交换膜的制备

2．3 性能表征

2．3．1 红外光谱(FT-IR)测试

2．3．2 SPEEK磺化度测试

2．3．3 扫描电子显微镜(SEM)形貌观察

2．3．4 X射线衍射()am)测试

2．3．5 热重(TG)测试

2．3．6 机械性能测试

2．3．7 质子交换膜的吸水性和溶胀率测试

2．3．8 质子传导率测试

2．3．9 甲醇渗透性能测试

2．3．10 机械性能测试

2．4 结果与讨论

2．4．1 SPEEK结构分析

2．4．2 微观形貌分析

2．4．3 SPEEK／Nafion复合膜的XRD分析

2．4．4 SPEEK／Nafion复合膜的热稳定性分析

2．4．5 SPEEK／Nafion复合膜的吸水性和溶胀率测试分析

2．4．6 SPEEK／Nafion复合膜的质子传导率性能分析

2．4．7 SPEEK／Nafion复合膜的甲醇透过性及选择性分析

2．4．8 SPEEK／Nafion复合膜的机械性能测试分析

2．5 本章小结

第三章 SPEEK／POSS纳米纤维／Nafion复合质子交换膜的制备与性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 SPEEK／POSS纳米纤维的制备

3．2．3 SPEEK／POSS／Nafion复合质子交换膜的制备

3．3 性能表征

3．3．1 扫描电子显微镜(SEM)形貌观察

3．3．2 能量色散X射线光谱(EDX)测试

3．3．3 X射线衍射(XRD)测试

3．3．5 质子交换膜的吸水性和溶胀率测试

3．3．6 质子传导率测试

3．3．7 甲醇渗透性能测试

3．4 结果与讨论

3．4．1 微观形貌分析

3．4．2 EDX分析

3．4．3 SPEEK／POSS／Nafion复合膜的XRD分析

3．4．4 SPEEK／POSS／Nafion复合膜的热稳定性分析

3．4．5 SPEEK／POSS／Nafion复合膜的吸水性和溶胀率测试分析

3．4．6 SPEEK／POSS／Nafion复合膜的质子传导率测试分析

3．4．7 SPEEK／POSS／Nafion复合膜的甲醇透过性及选择性分析

3．5 本章小结

第四章 SPEEK／PWA纳米纤维／Nafion复合质子交换膜的制备与性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 SPEEK／PWA纳米纤维的制备

4．2．3 SPEEK／PWA／Nafion复合质子交换膜的制备

4．3 性能表征

4．3．1 扫描电镜(SEM)形貌观察

4．3．2 能量色散X射线光谱(EDX)测试

4．3．3 X射线衍射(XRD)测试

4．3．4 质子传导率

4．3．5 甲醇渗透性能测试

4．4 结果与讨论

4．4．1 微观形貌观察分析

4．4．2 EDX分析

4．4．3 SPEEK／PWA／Nafion复合膜的XRD分析

4．4．4 SPEEK／PWA／Nafion复合膜的质子传导率测试分析

4．4．5 甲醇渗透性能测试

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

硕士期间主要科研成果

致谢