無機納米氧化物摻雜的復合質子交換膜的制備與表征.pdf

1、質子交換膜燃料電池(PEMFCs)由于能量轉化效率高，工作穩定可靠、冷啟動時間短、無污染而成為有希望的清潔能源技術之一。高溫下運行的PEMFCs有望克服散熱效率低，環境適應性差(易CO中毒)等技術障礙而使得PEMFCs得到更廣泛的應用，成為燃料電池研究與開發新的熱點之一。 然而，目前常用的全氟磺酸(PFSAs)型膜材料依賴水傳導質子，在高溫低濕下存在質子傳導率低等缺陷，極大地影響了電池的穩定有效運行。本文基于全氟磺酸(PFSAs

2、)樹脂，采用添加無機親水粒子以提高膜高溫保水能力，提高PEMFCs高溫下的性能。通過研究得到以下結論： (1)Nafion在溶劑中存在不同的分散狀態。在低極性介質中，磺酸基不電離，形成離子對和多重極子引起分子鏈聚集成較大團聚。在高極性溶劑中，磺酸基電離，溶液的zeta電位為負值，表明Nafion團聚表面帶負電荷。對Nafion在良溶劑中不同濃度下的分散行為研究表明，極低濃度時以單分子鏈形態分散，隨著濃度的增高由聚四氟乙烯骨架的疏

3、水作用導致分子鏈聚集成膠束。Nafion在混合溶劑異丙醇/水中與乙二醇/水中有類似的分散狀態，但形成膠束的臨界濃度不同，溶劑的介電常數、溶劑參數等物理參數影響Nafion分子的分散行為，進而可能對膜的性能產生影響。 (2)采用靜電自組裝法原位水解制備了Nafion包裹SiO2納米顆粒的復合膜，研究了二者結合的狀態。Nafion溶液的濃度影響納米顆粒的粒徑和分布，實驗證實該實驗體系中Nafion溶液最佳濃度為2～3wt％，制備的納

4、米顆粒粒徑約4.5nm，分散均勻，包裹體粒徑在幾百個納米，結構穩定。以此混合溶液為基礎重鑄法成膜，膜表面平整，均一透明，機械性能良好。相比Nafion膜具備更好的高溫保水能力和質子傳導率。 (3)以鋯酸正丁酯(TBZ)為前驅體，Nafion為表面活性劑采用靜電自組裝原位水解法制備了Nafion/ZrO2復合膜，TEM分析表明納米ZrO2顆粒粒徑為6.3±0.5nm，分布均勻，XRD分析證實成膜過程幾乎不影響ZrO2的形態，摻雜的