探析高温质子交换膜燃料电池用nafion复合膜的研究

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1、硕士学位论文高温质子交换膜燃料电池用Nation复合膜的研究AstudyonNationCompositeMembranesforHighTemperatureProtonExchangeMembraneFuelCell学科专业：化学工程研究生：熊小鹏指导教师：王宇新教授天津大学化工学院二零零八年八月摘要质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高比功率、高能量转换效率、高能量密度、快速启动和环境友好等优点成为理想动力电源之一。PEMFC被认为最适宜作可移动动力电源和便携式电源，如手机电池和电动车电源。目前PEMFC的发展面临的一个难题之一就是在高温低湿条件下质子交换膜(P

2、EM)质子传导性能差。因此开发出高性能的质子交换膜是PEMFC研究的重要课题。本论文着眼于PEMFC的现实需要和未来发展，在高温低湿质子交换膜方面进行了新的尝试。Nation固膜是目前广泛应用于PEMFC的质子交换膜之一，当温度超过100℃时，由于膜内水的过分蒸发，造成其质子传导速率急剧下降，继而使电池性能大幅下降。为了解决上述问题，我们将纳米Si02和纳米Ti02颗粒掺杂于Nation膜中，利用纳米Si02和纳米Ti02颗粒的保水性能对Nation膜进行改性。我们制备了不同Ti02含量的Nafion／Ti02复合膜和不同Si02含量的Nafion／Si02复合膜，并

3、考察了复合膜的性能。实验结果表明，纳米Ti02的加入提高了Nafion／Ti02复合膜的机械性能，在纳米Ti02颗粒的含量为3wto／o时，复合膜的拉伸强度比Nation膜增加了19．5％；复合膜的溶胀也被有效的限制，尺寸稳定性也得到了提高；同时Ti02的掺杂能明显提高复合膜在120℃低湿度下的电导率，在Ti02添加量为4wt％、相对湿度为45％时，Nafion／Ti02复合膜的电导率比Nation膜高出几乎一倍。将纳米Si02掺杂于Nation膜中能有效降低Nafion／Si02复合膜的溶胀，增强复合膜的阻气性能和机械强度，提高了膜在120℃低湿度的电导率。在纳米S

4、i02含量为7wt％时，复合膜的氢气透过率为1．7921×10。12mol／(Kpa．cm．min)，比Nation膜的3．9324×1012mol／(Kpa．cm．min)降低了1．2倍；在Si02添加量为4％、相对湿度为55％时，复合膜的电导率为O．05S．cm-1是Nation膜的0．024S·cm一的两倍。关键词：PEMFC；质子交换膜；Nation／Ti02复合膜；Nafion／Si02复合膜ABSTRACTPEMFChasbeenconsideredasanalternativepowersourceforelectricvehicles，becauseo

5、fitshighefficiency,highpowerdensity,rapidstart·up，andloworzeroemissions．ThedevelopmentandapplicationofPEMFCarerestrictedbyseveralmajortechnologicbarriers．Forexampletheprotonconductivityofthepresentprotonexchangemembraneislowunderlowrelativehumidityathighertemperature．Inthisstudy，weattem

6、ptetodevelopehightemperatureprotonexchangemembraneswhichcanbeworkatlowrelativehumidity．NationmembranehasbeenwidelyusedinPEMFC．However，duetothedehydrationathightemperature(>100℃)，theprotonconductivityofNationmembranedropsdrastically,whichresultsinobviousdropinFCperformance．Totacklethispr

7、ob，weintendtoembednanoscaledSi02andTi02particleswithgoodwater-retentionintoNafionmembrane．WepreparedNation／Ti02compositemembranesandNation／Si02compositemembraneswithvariousTi02orSi02content,andwetestedtheirmechanicaJstrength，dimensionalstabilityandprotonconductivity．Resultsshow