高溫質(zhì)子交換膜材料的制備和性能研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)因能量轉(zhuǎn)化率高，污染小，啟動快，設(shè)計簡單等，受到了越來越多越高的關(guān)注。為了實現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，需要提高其工作溫度，以降低陽極中催化劑鉑的使用量。一般的PEMFC由于電解質(zhì)材料的限制，只有在200℃下才表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能。因此，研究開發(fā)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的電解質(zhì)材料是當(dāng)前PEMFC領(lǐng)域的熱點之一。
　　聚苯并咪唑(PBI)熱穩(wěn)定性較好，機械強度較高，其聚合物在得失氫質(zhì)子后呈現(xiàn)氧

2、化或還原態(tài)，并能產(chǎn)生部分交聯(lián)，具有良好的穩(wěn)定性，在分子間可以形成連續(xù)的氫鍵，使得傳遞氫質(zhì)子成為可能。純PBI在常溫下是絕緣體，所以需要對PBI進行改性處理，摻雜導(dǎo)電離子，才能提高PBI的電導(dǎo)率。目前比較主流的方法是采用PBI膜浸泡到磷酸當(dāng)中，得到磷酸摻雜的PBI膜。但是在高溫的條件下，磷酸會隨著溫度過高而流失，導(dǎo)致質(zhì)子電導(dǎo)率的降低，所以PBI電解質(zhì)的工作溫度一般在170℃以下。所以需要尋找不依賴磷酸的質(zhì)子導(dǎo)體作為電解質(zhì)。本文致力于尋找適

3、用于200℃-500℃的電解質(zhì)，研究其電化學(xué)性能，及在燃料電池的應(yīng)用。并希望通過進一步摻雜和改善其微觀結(jié)構(gòu)，提高電解質(zhì)的穩(wěn)定性和性能。本文嘗試采用固相法分別制備了CeP2O7/BPO4、CeP2O7/BPO4/GO、CeP2O7、Ce3+摻雜的CeP2O7、SnP2O7、介孔SnP2O7，并測試它們的電化學(xué)性能。全文所得主要結(jié)論如下:
　　(1)通過固相法制備出了CeP2O7/BPO4、 CeP2O7/BPO4/GO粉體，經(jīng)壓制燒

4、結(jié)制成電解質(zhì)。通過X射線衍射儀，掃描電子顯微鏡，同步熱分析儀等對粉體進行表征。再利用電化學(xué)工作站進行電化學(xué)性能研究。CeP2O7/BPO4/GO復(fù)合電解質(zhì)的電導(dǎo)率，溫度從200℃到250℃，電導(dǎo)率從0.09提到到0.14 S·cm-1，但是在300℃電導(dǎo)率降低到0.08 S·cm-1。但是仍然高于相同溫度下CeP2O7/BPO4的電導(dǎo)率。說明GO的加入確實可以提高復(fù)合膜的電導(dǎo)率。CeP2O7/BPO4/GO在250℃功率密度達到最高24

5、0 mW·cm-2，明顯高于同樣溫度下的CeP2O7/BPO4的125mW·cm-2。表明CeP2O7/BPO4/GO復(fù)合電解質(zhì)即便在高溫低濕度的條件下，依然有著很高的電導(dǎo)率和電池性能。
　　(2)通過CeCl3的摻雜，經(jīng)過CeO2和H3PO4反應(yīng)，制備出了Ce0.9Ce0.1P2O7、CeP2O7粉體。XRD分析結(jié)果表明CeP2O7，Ce0.9Ce0.1P2O7為立方相。通過X射線光電子能譜，傅里葉紅外分析儀分析，結(jié)果可以證明低

6、價態(tài)的Ce3+已經(jīng)成功摻入到CeP2O7的晶格之中。利用同步熱分析儀測試了粉體的熱穩(wěn)定性。采用交流阻抗法測試了電解質(zhì)的電導(dǎo)率。Ce0.9Ce0.1P2O7的電導(dǎo)率在160℃到200℃從0.006S·cm-1提高到了0.01 S·cm-1，但是在200℃之后，電導(dǎo)率會隨著溫度升高而降低，但是電導(dǎo)率仍舊高于純的CeP2O7。Ce0.9Ce0.1P2O7電解質(zhì)的單電池還有著更好的電化學(xué)性能，在200℃的功率密度達到最高26.6 mW·cm-2

7、，相比于CeP2O7最高的功率密度只有18 mW·cm-2。這些結(jié)果都表明Ce0.9Ce0.1P2O7是可以作為潛在的高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的電解質(zhì)的材料。
　　(3)通過SDS作為活性劑，采用軟模板法制備介孔的SnO2，再通過固相反應(yīng)制備介孔SnP2O7。通過X射線衍射儀，掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡，同步熱分析儀等對燒結(jié)體進行表征。借助BJH模型，可得到其中介孔的SnP2O7平均顆粒約為255nm，孔隙直徑約4nm，符合介孔