无机纳米氧化物掺杂的复合质子交换膜的制备与表征

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1、武汉理工大学硕士学位论文摘要质子交换膜燃料电池(PEMFCs)fl了于能量转化效率高，工作稳定可靠、冷启动时间短、无污染而成为有希望的清洁能源技术之一。高温下运行的PEMFCs有望克服散热效率低，环境适应性差(易CO中毒)等技术障碍而使得PEMFCs得到更广泛的应用，成为燃料电池研究与开发新的热点之一。然而，目前常用的全氟磺酸(PFSAs)型膜材料依赖水传导质子，在高温低湿下存在质子传导率低等缺陷，极大地影响了电池的稳定有效运行。本文基于全氟磺酸(PFSAs)树脂，采用添加无机亲水粒子以提高膜高温保水能

2、力，提高PEMFCs高温下的性能。通过研究得到以下结论：(1)Nation在溶剂中存在不同的分散状态。在低极性介质中，磺酸基不电离，形成离子对和多重极子引起分子链聚集成较大团聚。在高极性溶剂中，磺酸基电离，溶液的zeta电位为负值，表明Nation团聚表面带负电荷。对Nation在良溶剂中不同浓度下的分散行为研究表明，极低浓度时以单分子链形态分散，随着浓度的增高由聚四氟乙烯骨架的疏水作用导致分子链聚集成胶束。Nation在混合溶剂异丙醇／水中与乙二醇／水中有类似的分散状态，但形成胶束的临界浓度不同，溶剂

3、的介电常数、溶剂参数等物理参数影响Nation分子的分散行为，进而可能对膜的性能产生影响。(2)采用静电自组装法原位水解制备了Nation包裹Si02纳米颗粒的复合膜，研究了二者结合的状态。Nation溶液的浓度影响纳米颗粒的粒径和分布，实验证实该实验体系中Nation溶液最佳浓度为2--一3wt％，制备的纳米颗粒粒径约4．5nm，分散均匀，包裹体粒径在几百个纳米，结构稳定。以此混合溶液为基础重铸法成膜，膜表面平整，均一透明，机械性能良好。相比Nation膜具备更好的高温保水能力和质子传导率。(3)以锆

4、酸正丁酯(TBZ)为前驱体，Nation为表面活性剂采用静电自组装原位水解法制备了Nation／Zr02复合膜，TEM分析表明纳米Zr02颗粒粒径为6．3+0．5nm，分布均匀，XRD分析证实成膜过程几乎不影响Zr02的形态，掺杂的纳米Zr02不影响Nation骨架的结晶状态。Nafion／Zr02复合膜比Nation均质膜表现出更好的高温保水能力、热稳定性和质子传导率，可用于高温PEMFC膜材料。关键词：燃料电池；质子交换膜；自组装；高温；保水能力；质子传导率武汉理工大学硕士学位论文AbstractP

5、roton-exchangemembranefuelcell(FEMFC)usingH2asfuelhasmanyattractivefeatures，includinghighpowerdensity,rapidstart·up，andhi曲efficiency,whichmakeitapromisingcleanenergytechnology．Protonexchangemembranefuelcells(PEMFCs)operatingathi曲temperaturehaveattractedc

6、onsiderableattentioninrecentyearsbecausetheycouldbenefitfromenhancedtolerancetoimpurityofthefuelgas，improvedwaterandheatmanagement，andincreasedreactionratesatbothcathodeandanodecompared谢tllPEMFCsoperatingbelow80℃．TheoftenusedPEMsforcurrentPEMFCtechnology

7、areperfluorosulfonicacid(PFSA)polymericmembranes，forexampleNationmembrane，becauseofitsrobuststructureandexcellentprotonconductivityinthehydratedstate．However,thedrasticdecreaseinprotonconductivityatlowrelativehumiditylimitstheoperatingtemperatrueoffuelce

8、llsusingsuchmembranestobelow80"Caswaterevaporatesrapidlyathightemperatureandambientpressures．Inthisthesis，wemodifiedPFSAbyincorporatinginorganicnanoparticles，suchasSi02andZr02intothehydrophilicdomainsinordertoformnano-comp