燃料电池用全氟磺酸质子交换膜制备与性能研究

摘要

本文利用溶液浇注成膜的方法,利用一系列的成膜方式,制备了不同交换容量的全氟磺酸质子交换膜。测定了制得的质子交换膜的含水率、溶胀度、密度、质子电导率和甲醇透过系数等。研究发现随着IEC值的增加,质子交换膜的含水率、溶胀度、质子电导率和甲醇透过系数均随之增加;随着成膜温度的提高,质子交换膜的含水率、溶胀度、质子电导率和甲醇透过系数均随之降低,机械强度随着成膜温度的提高而增加。实验结果表明,IEC值为0.91在成膜温度为200℃时制得的质子交换膜具有较高的机械强度和选择系数。这说明了交换容量和成膜温度都对溶液浇铸法制备的质子交换膜的微观结构和宏观性能有着重要影响。较低的交换容量和较高的成膜温度使得全氟磺酸质子交换膜形成致密的基体和较完善的晶体结构,而亲水的离子通道则受到影响。利用溶胶-凝胶法将亲水的二氧化硅和无机质子导体磷钨酸引入到全氟磺酸质子交换膜中,得到磷钨酸/二氧化硅/全氟磺酸复合膜。测定了不同掺杂量的复合膜的含水率、溶胀度、电导率、甲醇透过系数等。研究发现,随着掺杂量的提高,含水率、溶胀度和电导率均随之增大,比相同IEC值的Nafion膜高出20-40％左右。而甲醇透过系数先随之降低,当掺杂量增大到一定程度的时候,甲醇透过系数也随着掺杂量的提高而不断增大。这说明了掺杂物已经影响了质子交换膜的微观结构。在掺杂量为7.5%的时候,选择系数达到最大,比相同IEC值的Nafion膜高出40-50%,说明这种膜可以适用于直接甲醇燃料电池。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 燃料电池概述

1.1.1 早期燃料电池的发展历史

1.1.2 燃料电池发展的里程碑

1.1.3 燃料电池电化学原理

1.1.4 燃料电池的热力学

1.1.5 燃料电池的动力学

1.1.6 燃料电池的效率

1.2 燃料电池的分类

1.3 质子交换膜的发展历程

1.3.1 概述

1.3.2 全氟磺酸膜的性质

1.3.3 全氟磺酸质子交换膜的制备

1.4 全氟磺酸质子交换膜的微观结构

1.4.1 反向离子簇胶束网络模型

1.4.2 核壳结构模型

1.4.3 层状模型

1.4.4 三明治模型

1.4.5 棒状模型

1.5 全氟磺酸质子交换膜及其质子交换膜燃料电池技术现状

1.5.1 水管理的问题

1.5.2 一氧化碳中毒效应以及燃料的选择

1.5.3 燃料电池系统的冷却和热的回收利用

1.6 全氟磺酸质子交换膜的改性研究

1.6.1 聚四氟乙烯改性超薄膜

1.6.2 含有吸湿性氧化物的复合膜

1.6.3 含有无机质子导体的复合膜

1.6.4 非全氟型磺酸膜

1.7 本论文的研究内容和意义

第二章 膜的制备、表征和性能测试

2.1 全氟磺酸质子交换膜的制备

2.1.2 全氟磺酸质子交换树脂的预处理

2.1.3 全氟磺酸离子聚合物分散液及膜的制备

2.1.4 磷钨酸/二氧化硅/全氟磺酸复合膜的制备

2.2 全氟磺酸质子交换膜宏观性质的测定

2.2.1 全氟磺酸膜交换容量(IEC)的测定

2.2.2 含水率的测定

2.2.3 溶胀度和密度的测定

2.2.4 全氟磺酸膜电导率的测定

2.2.5 全氟磺酸膜甲醇透过系数的测定

2.2.6 力学性能的测定

2.3 全氟磺酸质子交换膜微观性质的测定

2.3.1 热重分析(TGA)

2.3.2 红外光谱测试

2.3.3 扫描电子显微镜(SEM)分析

第三章 全氟磺酸质子交换膜溶液浇注成膜研究

3.1 交换容量及成膜温度对全氟磺酸质子交换膜含水率的影响

3.2 膜的密度和溶胀度

3.3 电导率

3.4 甲醇透过系数

3.5 选择系数

3.6 力学性能

第四章 溶胶-凝胶法改性全氟磺酸质子交换膜的研究

4.1 扫描电子显微镜测试

4.2 红外测试

4.3 含水率和溶胀度

4.4 热重分析(TGA)

4.5 电导率

4.6 甲醇透过系数

4.7 选择系数

第五章 总结

参考文献

致谢

攻读硕士期间已发表或录用的论文