探究基于nafion膜改性的新型质子交换膜的制备与表征

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1、北京交通大学硕士学位论文基于Nafion膜改性的新型质子交换膜的制备与表征姓名：孙琨申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：朱红20090601中文摘要摘要：质子交换膜燃料电池以氢气或者甲醇作为燃料，通过电化学反应将储存在燃料中的化学能直接转化为电能，能量密度高、环境友好，是一种很有前途的洁净、高效的能源技术。质子交换膜在燃料电池中起着传导质子以及阻隔反应燃料和氧化剂的功能。目前广泛应用的全氟磺酸质子交换膜由于成本高，工作温度低，以及甲醇透过系数高等原因，限制了其产业化应用。本论文针对Nation

2、膜的缺陷进行改性，以提高Nation膜的保水能力，改善Nation膜的阻醇性能和降低成本为主要目标，研究和制备了多种新型复合膜，获得以下创新性成果：采用掺杂亲水无机物的方法改性Nation膜，首次制备了Nation／钛酸钠纳米管复合膜和Nation／皂土插层复合膜。SEM和XRD表明无机物在膜内分布均匀，没有发生团聚。着重考察了复合膜的含水率随温度和无机物掺杂量的变化趋势及含水率对质子电导率的影响。实验证实复合膜具有优异的保水性能i含水率的升高改善了膜的导电性能，使复合膜在高温下的电导率增幅明显加大

3、。采用共混法制备了Nafion／PVDF共混膜和Nafion／SPSF共混膜。着重考察了共混膜的甲醇透过系数随温度和聚合物掺杂量的变化趋势及含水率和溶胀度等物化性能。利用隔膜扩散法测定甲醇透过系数，结果表明PVDF和SPSF的加入显著改善了共混膜的阻醇性能，与Nation膜相比甲醇透过系数下降了约1个数量级。首次制备了NafioI州a2Ti307／H．PTFE复合膜和Nafion／CNFs复合膜。着重考察了复合膜的机械性能和质子电导率。由于增强体的增强作用使得复合膜显著提高了机械性能和抗溶胀能力，可

4、以通过减少Nation树脂的用量达到降低成本的目的。其中Nafion／CNFs复合膜的质子电导率与Nation膜相当。本论文图57幅，表6个，参考文献75篇。关键词：质子交换膜燃料电池；Nation膜；质子电导率；甲醇透过系数；复合膜分类号：TM911．4ABSTRACTABSTRACT：Protonexchangemembranefuelcell(PEMFC)isanelectrochemicaldevicewhichdirectlyconvertsthechemicalenergyofthefu

5、elandoxidantintoelectricalenergy,andthefuelofPEMFCisH2ormethan01．PEMFChasbeenconsideredasapromisingalternativeenergysourcebecauseoftheirhighefficiencyandlowenvironmentalimpact．TheprotonexchangemembraneisoneofthekeymaterialsinPEMFC，whichplaystherolesons

6、eparatingthefuelfromtheoxidantahdconductingproton．ThePEMsbasedontheperfluorosulfonicpolymershavebeenusedforpracticalPEMFCsystems．However,furtherprogressinthisfieldhasbeenrestrictedbytheinsufficientperformanceofthesemembranes．Duetotheirhighcost，hi曲metha

7、nolcrossoveranddramaticdecreasingintheprotonconductivityinthehi曲temperatures，theseperfluorinatedpolymerelectrolytescouldnotbeusedintheIndustrialproduction．Inthispaper,wefocusonmodifyingdrawbacksofNationmembraneinordertoimprovecapacityofwater,reducemeth

8、anolpermeabilityandthecost．Theinnovativeachievementsobtainedaremainlyasfollows：Novelinorganic-organiccompositemembranesbasedonmodifiedNationbydopinghydrophilicinorganic．Nation／sodiumtitanatenanotubesandNation／bentonitecompositemembranes