双层ePTFE增强复合质子交换膜的结构及性能研究

质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心材料。基于全氟磺酸离子交联聚合物(PFSA),采用膨体聚四氟乙烯(ePTFE)多孔膜,制备出双层ePTFE增强型复合质子交换膜。与采用传统的单层ePTFE(ePTFE厚度为20μm)增强的复合膜相比,双层ePTFE增强膜(每层ePTFE厚度为10μm)因其更小的ePTFE单层厚度而更容易被PFSA渗透和填充。研究显示,与单层ePTFE增强膜相比,双层ePTFE增强膜具有更高的质子电导率、拉伸强度以及更低的溶胀率。燃料电池性能方面,双层ePTFE增强膜的峰值功率密度(477 mW/cm^(2))高于单层ePTFE增强膜(335 mW/cm^(2))。为了评估所研制双层ePTFE增强膜的应用价值,本研究将其各项物性参数与商业化增强膜(GORE)进行了对比。

金属有机骨架(MOFs)基复合质子交换膜的研究进展

近年来,金属有机骨架(MOFs)材料由于具有超大的比表面积和丰富的孔道结构,作为一种新型的质子导体在质子交换膜中的应用受到越来越多的关注。随着研究的不断深入,为进一步提升MOFs复合质子交换膜的各项性能,MOFs材料在质子交换膜中的物理形态逐渐由颗粒状向连续相发展,MOFs材料的组分也呈现出由单一组分到双组分的发展态势。本文以质子交换膜中MOFs材料的物理形态为主线,将其划分为MOFs晶体/聚合物质子交换膜、第三相增强MOFs/聚合物复合质子交换膜和MOFs纳米纤维/聚合物复合质子交换膜,全面综述了MOFs材料在质子交换膜中的研究进展,并对MOFs复合质子交换膜的发展方向进行了展望。

质子交换膜燃料电池Nafion/PTFE复合膜的研究

在聚四氟乙烯 (PTFE)多孔膜内浸入Nafion 树脂 ,制成Nafion /PTFE复合膜用于质子交换膜燃料电池 (PEMFC) .该复合膜的Nafion 含量在 5 0 %左右 ,在干态和湿态时的拉伸强度及水化 /脱水过程中 ,其尺寸稳定性比Nafion 均有所提高 .在 80℃ ,H2 /O2 压力为 0 .2 / 0 .2MPa条件下 ,用 2 5 μm厚复合膜组装的电池性能优于Nafion 117膜组装电池的性能 .测量了复合膜的O2 渗透率和含水量并与Nafion

质子交换膜燃料电池用SPTFS/PTFE复合膜研究

将磺化聚α,β,β 三氟苯乙烯(SPTFS)树脂浸入到多孔的聚四氟乙烯(PTFE)膜的孔中,制成SPTFS/PTFE复合膜用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)。与均质膜相比通过这种复合方法降低了膜的吸水率。复合膜的电导率在10-2S/cm范围。在80℃,p(H2)/p(O2)压力比为0.2MPa/0.2MPa条件下,用复合膜组装的电池性能与Nafion 115膜组装的电池性能进行了比较。复合膜组装的电池在0.5V时的电流密度(1200mA/cm2)大于Nafion 115膜的(1000mA/cm2);在低电流密度区(小于700mA/cm2),复合膜性能低于Nafion 115膜;在高电流密度区(大于1000mA/cm2),复合膜性能明显高于Nafion 115膜。

多孔PTFE膜基体厚度对复合质子交换膜性能的影响

以不同厚度PTFE多孔膜为基体，制备了Nafion／PTFE复合质子交换膜。SEM表明采用Nafion树脂充分填充到PTFE多孔膜中为基体，通过拉伸和溶涨实验比较了不同厚度PTFE多孔膜基体制备的复合膜的物理性能差异。电化学和单电池测试表明，PTFE多孔膜厚度为15μm时，制备的复合膜性能最好，在600nA／cm^2时输出电压为0．664V，优于同条件下的美国杜邦的Nafion111膜。

PTFE-Nafion复合质子交换膜研究

将Nafion溶液与溶剂的混合溶液涂敷在PTFE膜上,制作成PTFE-Nafion复合膜.使用SEM、恒电位仪等仪器对复合膜进行测试分析,采用PN膜制作的CCM电极组装了电池堆进行测试.结果表明,PN复合膜具有良好的尺寸稳定性、较好的强度、很小的面电阻以及较小的气体透过率.对比了不同的PTFE基膜、不同的Nafion载量以及添加表面活性剂等对PN复合膜各项性能的影响.对PN复合膜制作出的CCM电极进行了性能测试,在同条件下其性能优于用Nafion212膜制作的CCM电极.

PEMFC用PTFE-Nafion复合质子交换膜研究

采用喷涂方法将Nafion溶液与溶剂的混合溶液涂敷在微孔PTFE膜上,制备了PTFE-Nafion复合膜。用复合膜制备了"三合一"膜电极并组装了电池堆进行测试。使用SEM、交流阻抗仪等仪器对复合膜进行测试分析。结果表明:复合膜的氢气透过率在10-8～10-9kPa.cm.S之间;与Nafion212膜相比,复合膜具有更小的面电阻;PTFE基膜、Nafion载量以及表面活性剂等对复合膜性能有显著影响。采用复合膜制备"三合一"膜电极的电池在放电电压0.6V下电流密度达到1.1A/cm2,优于用Nafion212膜制备的膜电极。

SPBI/ePTFE质子交换复合膜的制备与性能表征

采用化学法-萘钠溶液对疏水增强聚四氟乙烯(ePTFE)基底改性,往基底孔中填充磺化聚苯并咪唑(SPBI)电解质,通过多次真空抽滤和热处理法制备SPBI/ePTFE-x质子交换复合膜。分别采用红外光谱、扫描电镜、酸碱滴定法、干湿称重法和交流阻抗法等手段考察不同厚度的ePTFE基底对质子交换复合膜微观结构和性能的影响。结果表明:SPBI电解质成功填充于ePTFE基底中,膜表面光滑且致密。基底越厚可填充的SPBI越多,复合膜的IEC随基底ePTFE的厚度增加而增大,吸水率也随之增大。SPBI/ePTFE-5复合膜水平和厚度方向的溶胀度为5.26%和2.41%,说明具有较好的尺寸稳定性。SPBI/ePTFE-5复合膜基底厚度薄,传输质子的路径短,有利于质子间的传递,获得了最佳的质子电导率,在160℃时达到0.18S/cm,表明SPBI/ePTFE-5质子交换复合膜在高温下具有良好的质子传导性能。

PFSI/PTFE复合膜用于质子交换膜燃料电池的研究

通过将全氟磺酸溶液加入到PTFE多孔膜中制备了PFSI/PTFE复合膜。SEM的测试结果显示,已有一层均匀的薄的PFSI膜存在于PTFE多孔膜表面,全氟磺酸树脂已均匀地分布到PTFE多孔膜中。实验证明,复合膜的强度和尺寸稳定性都优于单膜;厚度为40μm的复合膜,其电性能与厚度为60μm的单膜接近,复合膜最低膜厚可达20μm。用价格相对便宜的PTFE来部分代替昂贵的全氟磺酸树脂,可以减少全氟树脂的用量,降低质子交换膜燃料电池的制造成本。

常压氢空自增湿燃料电池用复合质子交换膜

以多孔聚四氟乙烯(PTFE)与Nafion树脂复合制备基底层,在基底层两侧喷涂含有纳米级担载型Pt-SiO2催化剂和Nafion树脂的浆料以形成功能层,所得复合膜(20μm)具有三层复合结构。在常压干态氢气、空气操作条件下,具有三层结构的复合膜(Pt-SiO2/NP)和不含有催化剂的Nafion/PTFE(NP)膜的自增湿燃料电池的峰值比功率分别达0.6、0.3W/cm2,开路电压分别为0.96、0.92V。采用透射电子显微镜法(TEM)、扫描电子显微镜法(SEM)对膜结构以及利用热重分析(TGA)对膜含水量分别进行表征,同时对膜机械性能以及氧气渗透率进行了测试。

磺化聚苯乙烯/侧链交联型磺化聚芳醚酮砜复合质子交换膜的制备与性能

如何平衡质子交换膜(PEM)的吸水性与尺寸稳定性及质子传导与甲醇渗透之间的关系一直是PEM材料的研究热点.本文通过直接缩聚法合成了含有丙烯基的聚芳醚酮砜共聚物(PAEKS),利用自由基接枝反应将磺化聚苯乙烯(SPS)和苯乙烯磺酸钠通过丙烯基引入到PAEKS中,制备了一系列磺化聚苯乙烯/侧链交联型磺化聚芳醚酮砜交联复合膜cr-SPAEKS-x(其中x代表复合膜中磺酸基团的含量),利用核磁共振波谱及红外光谱对其进行了表征.由扫描电子显微镜照片可见,SPS和苯乙烯磺酸钠在交联复合膜中分布非常均匀,没有发生任何分相现象.交联网络结构的形成提高了膜的热稳定性、氧化稳定性及力学性能.同时其独特的亲/疏水相分离结构和交联网络结构也有效提高了交联复合膜的尺寸稳定性和阻醇性能,80℃时磺酸基团含量最高的cr-SPAEKS-120%膜在高达63.5%的吸水率下溶胀率仅为20.1%,甲醇渗透系数最高为3.47×10^(-7) cm^(2)/s,远低于Nafion117的23.80×10^(-7) cm^(2)/s.独特的链结构形成的亲/疏水相分离结构使得该系列膜具有较好的质子传导性能,cr-SPAEKS-120%膜在20和80℃下的质子传导率分别达到0.043和0.113 S/cm,可见该系列交联复合膜在直接甲醇燃料电池中具有良好的应用前景.

聚乳酸乙醇酸纤维增强全氟磺酸复合质子交换膜的研究

以具有良好亲水性的聚乳酸乙醇酸（poly-lactide—CO—glycolide，PLGA）纳米纤维制备了Nafion／PLGA复合质子交换膜，其屈服强度、断裂强度和弹性模量达到10．5，19和147．8MPa，优于相同条件下的Nation均质膜．Nafion／PLGA复合质子交换膜电导率达到0．053s／cm，结构致密、单电池开路电压达到0．96V，并在100~900mA／cm2的欧姆极化控制区域呈现良好的性能．

纳米纤维复合质子交换膜研究

质子交换膜(PEM)作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件,决定了其整体性能。目前的PEM存在高甲醇渗透率、价格昂贵等问题,限制了其商业应用。随着纳米复合材料技术的发展,将纳米纤维引入PEMs制备纳米纤维复合质子交换膜(NCPEMs)得到了广泛研究。在NCPEM中,纳米纤维可以形成质子传输的远程通道,并增强骨架以达到PEMFCs的目标性能。文章以NCPEM为重点,综述了NCPEM制备技术的最新进展。此外,还从纤维组成方面综述了有机-功能化有机纳米纤维和有机-无机杂化纳米纤维的纳米纤维复合质子交换膜。

质子交换膜燃料电池用增强型复合膜性能研究

用流延法制备增强型NaIion／PTFE复合膜，用电子扫描显微镜（SEM）观察膜，测试了膜的溶胀率、机械强度及质子传导率测试和单体电池性能，并与市售Nafion0膜进行比较。研究表明：流延法制备的Nafion／PTFE复合膜致密性好，（23±2）℃和（i00±2）℃恒温水浴条件下，Nafion／PTFE复合膜体积溶胀率分别仅为Nafion0212膜的30％，70％，Nafion／PTFE复合膜的最大拉伸强度较Nation212膜高52％，H2渗透率较Nafion0212膜高14％～25％；Nafion／PTFE复合膜的放电电压高于Nation0211膜，当电流密度为1000mA／cm。时，Nafion／F’T—FE复合膜单池放电电压为0．714V，较Nafion0212膜高8％，能满足质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用要求。

聚四氟乙烯增强复合全氟磺酸质子交换膜

通过流延法以及复合膜工艺,制得了聚四氟乙烯增强复合全氟磺酸质子交换膜;对其电导率、力学性能、透氢性及尺寸稳定性等性能进行了研究。研究发现,流延法制得的聚四氟乙烯增强复合全氟磺酸质子交换膜基本达到国际同类产品的性能水平,满足质子交换膜燃料电池的应用要求,某些指标的水平甚至超过了国际同类产品。

质子交换膜燃料电池复合材料双极板的研究

以高分子预聚物为粘合剂,天然或人造石墨为导电骨料,通过模压一次成型制备质子交换膜燃料电池双极板。研究了导电骨料的组分、树脂的种类及其含量,成型温度、成型压力对双极板性能的影响。结果表明:1)导电骨料的组分、树脂的种类及其含量对制品的性能影响较大;成型温度、成型压力对制品的性能影响较小。2)人造和天然两种石墨混合组分为导电骨料的制品,其导电性能明显高于单一石墨组分的制品;乙烯基树脂为粘合剂的性能优于以邻苯基树脂为粘合剂的双极板的性能。3)使用质量分数为16%～18%的乙烯基树脂作粘结剂,在成型压力为10MPa～20MPa,成型温度为150℃～200℃时制备的复合材料双极板的电导率>300S cm,抗折强度>30MPa,空气透气率为10-7cm2 s。

纤维复合磺化SBS质子交换膜的制备和性能

介绍了磺化聚苯乙烯 -丁二烯 -苯乙烯嵌段共聚物 ( S- SBS)低温质子交换膜的制备和表征 ,并以 S- SBS为基体 ,与经过偶联剂处理的玻璃纤维毡复合 ,制备出复合 S- SBS膜。并研究了复合 S- SBS膜与 S- SBS膜的拉伸强度、质子传导性、吸水率、溶胀率、离子交换当量 ( IEC)等性能的变化。结果表明 ,纤维复合可在对膜的传导性能影响很小的情况下 ,大大提高膜的拉伸强度 ,并且膜的溶胀率明显减小 。

磺化聚芳醚酮砜/ZrO2复合型质子交换膜的制备与性能

通过溶胶-凝胶法制备了纳米ZrO2无机粒子,再通过溶胶共混法制备了不同ZrO2含量的磺化聚芳醚酮砜(SPAEKS)复合膜.红外光谱显示复合膜中存在Zr—O—Zr吸收峰.扫描电镜照片显示纳米ZrO2无机粒子能够均匀地分散在SPAEKS聚合物基体中,未发生团聚现象.通过对复合膜的性能测试发现,纳米ZrO2无机粒子的引入提高了复合膜的热稳定性、吸水率和质子传导率.在80℃时,SPAEKS/ZrO2-10%(质量分数)复合膜的甲醇渗透系数为5.6×10-7 cm2/s,低于SPAEKS膜的甲醇渗透系数(6.7×10-7 cm2/s).同时,复合膜在80℃时的质子传导率都在0.08 S/cm以上.

SPEEK／P4VP酸碱复合质子交换膜的制备与性能

利用4-乙烯吡啶(4-VP)碱性单体与磺化聚醚醚酮(SPEEK)共混,通过热聚合方法制备了SPEEK/P4VP酸碱复合质子交换膜,并考察了引发剂种类、用量和P4VP添加量对复合膜制备和性能的影响。质量分数为0.2%的偶氮二异丁腈较适宜作为引发剂制备复合膜;P4VP的添加使得复合膜的质子传导率和离子交换容量IEC(IEC=mmol SO3H/g drymembrane)略有下降,但复合膜的吸水率降低,抑制溶胀能力增强,且温度越高,抑制能力越为明显,此外复合膜的阻醇性能和拉伸屈服应力也有所提高,当4-VP的含量在50%(质量分数,下同)时,复合膜的甲醇渗透率与SPEEK和Nafion膜相比分别下降了70%和99%。

含有POSS的复合型质子交换膜的制备及性能

燃料电池作为一种高效环保的绿色能源,有望获得重要应用.作为聚合物电解质膜燃料电池和直接甲醇燃料电池的核心部件,质子交换膜的研制是该领域的热点.针对目前具有产业化规模的Nation膜所表现的使用温度低及阻醇性差等缺点，开发能够替代Nation的下一代高性能质子交换膜备受关注[1]．