硅钨酸-二氧化硅聚偏氟乙烯质子交换膜

作为第五代燃料电池的质子交换膜燃料电池(PEMFC)除了具有燃料电池的一般优点以外,还具有能量转化率高、低温启动、无电解池泄露、无腐蚀、寿命长、比功率高等突出的优点。因此,PEMFC的研究已经成为诸类燃料电池研究中的主流。

作为质子交换膜燃料电池的核心材料,质子交换膜起到了使质子(H+)选择性的从阴极传导质到阳极的作用,同时它阻隔了燃料和氧化剂。质子交换膜的性能决定着燃料电池性能。

硅钨酸-二氧化硅聚偏氟乙烯质子交换膜图片

在诸多质子交换膜的改性研究中,有机-无机复合膜由于具有较高的机械和热稳定性、较低的甲醇渗透和合适的质子电导率而受到充分的重视。聚偏氟乙烯(PVDF)是一种高分子量(40万-60万)、半结晶体的氟聚合物,其综合性能优异,具有结构致密、热稳定性高、机械性能强、成膜后柔韧性优良阻醇性高、化学性质稳定等优点,通过在PVDF中加入具有质子导电能力的质子酸可提高其质子导电率。于是,人们提出使用硅钨酸掺杂聚偏氟乙烯复合膜。硅钨酸-二氧化硅聚偏氟乙烯质子交换膜的制备方法包括以下步骤:

(1)称量一定量聚偏氟乙烯溶于二甲基亚砜中制成溶液,其中每克聚偏氟乙烯需二甲基亚砜15-19g,将该溶液油浴加热至50-70℃,并在该温度下搅拌1至3小时制成溶液A;

(2)将溶液A浇筑到洁净的玻璃板上60~90℃真空干燥成PVDF膜,将该膜放入6~8mol/L的氢氧化钠溶液中,在60~80℃油浴中处理8~10h,再用去离子水反复冲洗至中性,于100~120℃温度下烘干形成改性PVDF膜;

(3)将一定量的改性PVDF膜溶于二甲基亚砜和水的混合液(二甲基亚砜与水体积比10:1)中制成溶液B,其中每克膜需混合液15-19g;

(4)将溶液B加热至80-95℃,并在该温度下搅拌1至3小时后,温度降至60~75℃,形成溶液C;

(5)按溶液C中改性PVDF与钨酸钠和四氯化硅的重量份配比分别为75-85份,15-10份和10-5份的比例,称量钨酸钠和四氯化硅,依次在溶液C中加入钨酸钠和四氯化硅,在此温度下搅拌1至3小时后降温至室温,形成均匀的溶液D;

(6)将溶液D真空油浴加热到110~130℃,并在该温度下搅拌1至2个小时,直到溶液中水分全部蒸发为止,将得到的溶液降温至室温,形成均匀的溶液E;

(7)将溶液E浇注在聚四氟乙烯玻璃板上并真空干燥成膜,膜厚度控制在0.1~0.2毫米,真空干燥温度:90~100℃,即得到所需的硅钨酸-二氧化硅聚偏氟乙烯质子交换膜。

硅钨酸-二氧化硅聚偏氟乙烯质子交换膜,其醇渗透率比传统的Nafion的小,阻醇性能好, 制备工艺简单,膜成本低于Nafion膜,易于产业化,将可推动直接甲醇燃料电池的发展。

 

 

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