PDF《SPES/PWA/SiO2 复合质子交换膜的性能》

112 membrane at room temperature. However, methanol permeation through the SPES鄄P鄄S 15% composite membrane decreased dramatically and was only one鄄seventh that of the Nafion

112 membrane. This excellent selectivity of the SPES/PWA/SiO2 composite membrane points to its potential use as a promising electrolyte for DMFCs. Key Words: Direct methanol fuel cell;

Sulfonated poly(ether sulfone);

SiO2;

Phosphotungstic acid;

Composite membrane

2967 Acta Phys. 鄄Chim. Sin.,

2010 Vol.26 直接甲醇燃料电池(DMFC)是直接以甲醇为燃 料的化学电源, 具有能量密度高、 工作温度低、 对环 境友好以及燃料储运方便和可以使用现有的加油站 系统等优点, 因而较氢燃料电池更适于用作便携式 电子电器的移动电源, 成为了目前燃料电池研究和 开发的热点[1-4] . 质子交换膜作为 DMFC 的绝对关键 性材料, 被称为 DMFC 的心脏, 其性能直接关系到 燃料电池的整体性能[5-9] . 理想的质子交换膜具有导 通质子、 阻止甲醇和氧化剂透过的作用. 目前常用的 质子交换膜是全氟磺酸型膜, 其中最具有代表性的 是美国杜邦公司的 Nafion 系列膜, 这类全氟磺酸膜 虽然具有较高的质子传导率、 化学稳定性、 热稳定性 和机械强度, 但却存在甲醇渗透严重即阻醇性能差 的缺点, 从而大大限制了 DMFC 的开发与应用. 另 外由于全氟磺酸膜的制备工艺复杂、 要求苛刻而使 其价格异常昂贵[10] . 因此研制和开发阻醇性能好且 性价比高的新型质子交换膜是目前研究的热点. 除 了在全氟磺酸膜基础上进行改性外, 国内外的许多 研究均致力于在高性能的聚合物上引入具有离子交 换能力的磺酸、 羧酸等基团制备非氟主链的聚合物 膜, 以及通过聚合物共混[11-13] 和无机鄄有机聚合物的 掺杂制备复合膜[14-19] . 其中有机鄄无机复合膜是发展 新型质子交换膜的有效途径之一. 许多研究表明 SiO2 在膜中能大大提高膜的阻醇性能[20-22] , Tsai 等[20] 将SiO2 掺入磺化聚芳醚砜共聚物中制得了一种纳 米复合膜, 通过测定单电池性能, 发现该复合膜在

80 益时的单电池性能与 Nafion

117 膜相近. 然而, 尽管 SiO2 在膜中能有效地阻止甲醇的渗透, 但由于 其本身不具备质子传导性, 当掺杂量较高时会使膜 的质子传导率下降幅度较大, 难以满足 DMFC 的需 求. 这一点在我们所制备的磺化聚醚砜(SPES)/SiO2 复合膜体系中得到了证实[23] . 杂多酸具有较高的质子传导能力、 独特的结构和 化学性质, 如室温下磷钨酸(PWA)的电导率为0.18 S ・ cm-1 , 磷钼酸(PMoA)的电导率为 0.17 S ・ cm-1 [24] , 因此经常被用于掺杂在膜基体中, 以提高膜的质子 传导率. 邓会宁等[4] 制备的 PWA/SPEEK(磺化聚醚 醚酮)复合质子交换膜具有良好的质子导电性, 可与 Nafion

115 膜相比拟, 而其甲醇渗透性却远低于 Nafion

115 膜. Smitha 等[25] 报道的磺化聚砜(SPSF)/ PWA 复合膜在高温下具有较高的质子传导率, 当PWA 含量达到 40%时, 其在

120 益下的质子传导率 为0.14 S ・ cm-1 , 高于同条件下 Nafion

117 膜的质子 传导率. 本文拟在阻醇性能良好的 SPES/SiO2 复合 体系中引入质子传导率较高的 PWA, 在保持膜较高 阻醇性能的同时以改善膜的质子传导性能, 并对该 复合膜的结构和性能进行了研究, 探讨其作为质子 交换膜而用于 DMFC 的可能性.