原位合成法制备磷钨酸掺杂的聚乙烯醇/聚偏氟乙烯质子交换膜及其应用
直接甲醇燃料电池作为一种节能与环保的新型能源电池,已经成为人们关注的主要焦点。作为直接甲醇燃料电池核心部件的质子交换膜,要求其有较高质子导电能力、阻醇性好和制备成本低。目前使用的质子交换膜多为全氟磺酸膜,此类膜甲醇渗透率大且制备成本较高,限制了其商业化发展。无机-有机膜因其兼有无机组分及有机组分的特性引起了关注。聚乙烯醇(PVA)因其具有较好的阻醇性、价格低廉、易于成膜等优点,成为公认的聚合物膜的基底材料。通过向PVA中添加无机组分可以制得质子电导率较高的质子交换膜,但此类膜的溶胀度较大,导致其大的甲醇渗透率。 为了改善膜溶胀度大、甲醇渗透率大的问题,本文利用有机极性溶剂代替水溶液,将磷酸和钨酸钠溶于溶有聚乙烯醇(PVA)和不溶于水的聚偏氟乙烯(PVDF)的二甲基亚砜极性有机溶液,利用原位合成法制备了磷钨酸在膜中分布均匀的聚乙烯醇/聚偏氟乙烯质子交换膜(PWA-d-PVA/PVDF)。应用万能电子试验机、气相色谱仪、交流阻抗谱等方法分析了膜中磷酸、钨酸钠、PVDF含量对膜溶胀度、质子电导率、甲醇渗透率与机械强度的影响。结果表明:当 H3PO4含量为10％,Na2WO4含量为10％,PVDF含量为20％制备的质子交换膜各项性能优良,膜的质子电导率达到0.015S/cm;甲醇渗透系数为9.21×10-7cm2/s,与Nafion膜相比降低了接近一个数量级;膜的溶胀度仅为12.2％,比Nafion膜降低了23.8％。 采用热重分析仪和扫描电子显微镜等方法对膜的热稳定性和微观形貌进行了表征。结果表明:PVDF的添加使膜的热稳定性明显提高,质子交换膜在0~155℃之间热稳定性能良好。膜中磷钨酸分布均匀,膜的结构致密,PVDF也均匀地分布在膜中,没有出现团聚现象,与PVA的相容性较好。 将PWA-d-PVA/PVDF膜组装成直接甲醇燃料电池(DMFC)进行电池性能的测试。结果表明:电池在常温常压下,阳极通入的甲醇浓度为2M时,达到最大功率密度为12.48mW/cm2,相比于Nafion115膜的最大功率密度提高了18.29％。
直接甲醇燃料电池;质子交换膜;磷钨酸掺杂;聚乙烯醇;聚偏氟乙烯;原位合成法
内蒙古科技大学
硕士
冶金工程
张芳
2014
中文
TM911.43;TQ425.236
67
2014-10-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）