新型质子传导电解质膜的制备及其性能研究

摘要

本研究工作制备了四种新型的质子导电膜,包括:Nafion/磷硅玻璃质子导电玻璃膜、离子液体/多孔SiO2质子导电玻璃膜、PEI-PCFG/磷硅玻璃/PEI-PCFG超薄自支撑质子导电膜和Nafion/磷硅玻璃/Nafion超薄自支撑质子导电膜,并对它们的结构和性能进行了表征。　　 Nafion/磷硅玻璃质子导电玻璃膜是一种以多孔磷硅玻璃为基体材料的新型质子导电膜。通过原位溶胶.凝胶的方法将Nafion均匀分散到基体当中,形成具有高质子电导率的复合玻璃膜。本文表征了该复合膜的形貌、孔结构、吸水性、质子电导率等性能,并且将该膜做成膜电极,测试了单电池的性能。结果显示,这种复合玻璃膜具有高质了电导率,在充分加湿后可以达到0.1 Scm-1。在H2/O2燃料电池的测试中,单电池的开路电压为0.94V,常温条件下(25℃)其输出功率为42.6mWcm-2。　　 离子液体/多孔SiO2质子导电玻璃膜是一种基于质子型离子液体N,N-二乙基甲胺双三氟甲基磺酰亚胺([dema][TfO])的质子导电玻璃膜。通过一步法在SiO2溶胶中加入质子型离子液体,凝胶后得到了离子液体参杂的SiO2玻璃膜。本文讨论了Sol-Gel法制备[dema][TfO]/SiO2复合玻璃膜的工艺,并对其结构和性能进行了表征。结果显示,该膜在120℃～220℃无加湿的情况下获得了10-2 Scm-1的高离子电导率。在H2/O2单电池测试中,通过60℃恒定的H2和O2供给和循环活化后开路电压可达0.98V;在140℃无水加湿的环境下获得了2.8 mW cm-2的输出功率密度。　　 本文报道了超薄质子导电膜的工作。通过有机/无机/有机多层结构的复合,制备了PEI-PCFG/磷硅玻璃/PEI-PCFG(PPP)超薄自支撑质子导电膜。制备的具有三明治结构的质子导电膜的厚度为500纳米左右。其中,中间层是磷硅玻璃薄膜,主要起到减少燃料渗透的作用。磷硅玻璃层受到聚合物层(PEI-PCFG层)的支撑和保护。聚合物层由具有一定质子传导性能的聚合物材料组成,能为复合膜提供质子电导率和柔韧性。所制备的PPP复合膜的质子电导率为10-5 Scm-1(70℃,90％相对湿度)。然而,由于该质子导电膜的厚度仅为500nm,使得PPP膜在该条件下的面阻为4.5Ωcm2。　　 为了进一步提高超薄质子导电膜的质子电导率,本文还制备了Nafion/磷硅玻璃/Nafion(NPN)超薄自支撑质.了导电膜。通过用Nafion替代PEI-PCFG并对磷硅玻璃层结构的改进,制备的超薄质子导电膜具有较高的质子电导率。结果显示所制备的NPN质子导电膜的厚度为960nm。该膜的甲醇渗透率仪为1×10-8 cm-2 S-1,所测得最小面阻值可达0.06Ωcm2。