新型纳米纤维复合质子交换膜的制备及其性能研究
质子交换膜燃料电池(PEMFC)越来越被研究者广泛关注，认定为未来时代汽车中可代替内燃机的一种清洁发电装置。究其原因是因为其独特的优势，如无污染排放、功率转化效率高等。质子交换膜(PEM)是该类型燃料电池的最关键组成之一，是一种可以防止阴阳两侧气体接触的隔膜。同时在燃料电池内部担任着传递质子的责任，质子在其中既是生成产物也是参与反应的物质，因此质子交换膜可以影响燃料电池的整体性能。传统商业化广泛应用的是全氟磺酸质子交换膜，但是受到成本高和性能不足的限制，直接影响了PEMFC继续商业发展和深入的研究。对此制备出性能优异且低成本的质子交换膜成为了研究者们研究方向的一个重点方向，聚醚醚酮(PEEK)是一种性能优异的特种材料，它的磺化产物-磺化聚醚醚酮(SPEEK)是非常有可能替代全氟磺酸树脂的一种材料。它被选择的原因是同时兼具较高的质子传导能力和具备良好的物理化学等性能。 静电纺丝技术(electrospinning)制备纳米结构的纤维再扩展应用，一直以来都是我们实验室开展科研的重要基础。最近几年间将纳米纤维材料和结构和燃料电池领域相结合，用来制备更优性能的质子交换膜或其他部件的研究越来越多，成为了研究的热点。本篇论文是以静电纺丝技术为实验基础，制备了两种新型纳米纤维结构复合质子交换膜，并分别对它们和商业膜进行一系列表征分析的对比测试，验证其在燃料电池中的应用潜力。具体内容如下: (1)通过用PEEK颗粒和浓硫酸进行磺化反应，通过红外光谱和核磁共振光谱结果显示，本次实验得到了磺化度为73.49％的SPEEK，磺化度越高则代表着在磺化反应中被置换的磺酸基团越多，能与水结合的可供质子传递流动的通道也更多，能提高质子交换膜的性能。 (2)为了防止该SPEEK在高湿度情况下的吸水溶胀过大，引入了同样具有良好稳定性的聚丙烯腈(PAN)，用静电纺丝以共混的方式制备得到厚度为13μm左右，PAN含量分别为4wt％、5wt％和6wt％的SPEEK/PAN复合质子交换膜。观察SEM图像可知，实验制备得到复合质子交换膜中存在纳米纤维结构。当PAN含量高于5wt％时与商业化膜相比，具有更小的吸水溶胀率和更好的机械强度。质子传导率会随着温度的增加而提高，相较于商业化质子交换膜，在60℃时PAN含量为5wt％的S/P-5复合质子交换膜明显表现出优于商业质子交换膜的性能，最高可达2.09×10-1S·cm-1。 (3)在2×2cm2单电池测试中，极化曲线反映出在同温不同湿的环境下，S/P-5复合质子交换膜和商业质子交换膜的性能均会因着湿度的增加而增加，而在相同测试条件下S/P-5复合质子交换膜性能要更优。电化学阻抗谱图同样证明了S/P-5复合质子交换膜具备着燃料电池工作时更小的内阻。在漏氢电流曲线反映出S/P-5复合质子交换膜没有大面积漏氢，表明SPEEK/PAN复合质子交换膜的制备工艺与参数是成功的。 (4)实验探索得到聚四氟乙烯(PTFE)与纺丝载体聚乙烯醇(PVA)的混合比例为6∶1时，纺丝效果最佳。烧结参数为先220℃预氧化后在380℃保温40min能除去杂质得到了较为纯净的PTFE纳米纤维膜。静电纺丝制备出Nafion纤维膜，再经过热压工艺得到需要的Nafion/PTFE复合质子交换膜。该复合质子交换膜在300℃以上才开始失重分解表现出良好的热稳定性。质子电导率在60℃条件下测得1.18×10-1S·cm-1低于商业质子交换膜的1.91×10-1S·cm-1，但同样在可用范围内。吸水溶胀率因PTFE的加入有明显的改善。
质子交换膜燃料电池;质子交换膜;静电纺丝;质子电导率
北京化工大学
硕士
机械工程
刘勇;邢长民
2020
中文
TM911.48;TM205.1
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）