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多孔PTFE膜基体厚度对复合质子交换膜性
能的影响
第28卷专辑?
11月
武汉理工大学
JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
[.”
NOV.
多孔PTFE膜基体厚度对复合质子
交换膜性能的影响
王晓恩,肖立奇,唐浩林,潘牧
(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉430070)
摘要:以不同厚度PTFE多孔膜为基体,制备了Nafion/PTFE复合质子
.SEM表明采用Nation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
,PTFE多孔膜厚度为15m时,制备的复合膜性能最佳,在600mA/cm2时输
,优于同条件下的美国杜邦的Nafionl11膜.
核心词:质子交换膜燃料电池;复合质子交换膜;多孔PTFE;Nation
中图分类号::A文章编号:1671—4431()专
辑I1043705
InfluenceoftheThicknessofePTFEonthePerformanceof
CompositeProtonExchangeMembranes
WANGXiao—P”,XIAOLi—qi,TANGHao—lin,尸ANMu
(StateKeyLaboratoryofAdvancedTeclmologyforMaterialsSynthesisandProcessing,WuhanUniversityof
Technology,Wuhan430070,China)
Abstract:Nafion/
-
siona[,theoptimumthicknessofporous
-thick
,
whichwashigherthanNafionl11membraneatthesameconditions.
Keywords:protonexchangemembranefuelcell(PEMFC);compositeplotonexchangemembrane;porous
PTFE:Nafion
随着全球能源和环境问题的日益凸现,质子交换膜燃料电池(PEMFC)
因其能量转化率高和零污染
,质子交换膜承当着传导
质子,阻隔反映气体等作用如高的传导质子的能力,低的反映气体渗入性以及一定的机械强度,良好的
,在质子交换膜燃料电池的膜电极材料中全氟磺酸型质子交换膜一
直占据主导地位,国际上DuPont公司实现了大规模的燃料电池用全氟磺酸型质子交换膜商业化生产,
收稿日期:—09—01.
作者介绍:王晓思(1981一),:
438武汉理工大学11月
,同时还存在尺寸稳定性差,
将Nation树脂与多种增强基体复合就成了近年来人们研究的热点[,其中以Nafion/PTFE复合膜研
究最多,PennerandMartin等首先将Nation浸入到Gore_Tex多孑L膜中制成复合膜,并对复合膜的性能
进行了研究[.国内刘富强等在聚四氟乙烯(PTFE)多孔膜内浸入Nafion树脂,在热台上烘干制备
了不同厚度的复合膜,Nation树脂的含量在50%左右,另外还分析了基体膜的孔隙率对所制备的复合
膜的影响],采用真空浸渍的办法以基体膜厚度为出发点,研究了基体膜厚度对与复合膜性能的关系,
并指出了准备Nafion/PTFE复合膜所用的多孔膜的最佳基体膜厚度.
1实验
取Nation溶液(质量分数5%,美国Dupont),表面活性剂TritonX—100按照体积比97:3混合,超声
10min然后再高速搅拌30min,得到复合膜制备溶液.
取不同厚度1#,4#(10btm,15btm,25btm,40btm)的PTFE多孔膜(上海大宫),,
/,然后用去离子水清洗5min,50?烘干,放人异丙醇
中室温下浸泡30min,取出,,取Nation111膜,记为样品
5#.
剪取一定大小(10cmx10cm)的聚四氟乙烯多孔膜(porousPTFE),固定4周,在专利[7]所述的条
,取出晾干,然后膜置于270?的真空干燥箱(,上海精宏实
验设备有限公司)中热解决20-30S,热解决后的膜重复上述浸渍一晾干一热解决过程3次,膜由白色变为
透明,透明的膜依次在异丙醇,80?的H2SO4溶液()和100?的去离子水中解决40min后
得到Nafion/PTFE复合膜.
(MEA)制备
为了使质子交换膜更加好地与催化剂接触以减少接触电阻,催化剂采用英国JM公司的Pt/C催化
剂,将2张刷有疏水层的碳纸(5cmx5cm)分别置于预先制备的CCM(catalystcoatedmembrane,制备
办法参考专利[8])两侧,,即制备好燃料电池核心组件——
MEA.
2测试表征
所制备的复合膜的机械强度,膜的形貌采用扫描电镜(SEM,JSM一5610LV,日本电子公司)观察.
将干燥后的PTFEafion复合膜(7cmx7cm)称重(w1),并测量其各边边长(L1),然后在室温下
置于蒸馏水中浸泡24h后,再次对其称重(w2)和测量其各边边长(L).膜中所含水分和膜的尺寸变
化率都可由公式计算得到.
膜的含水率由公式(1)计算
(W)=(W2一W1)/Wl×1O0%(1)
复合膜线溶胀率用公式(2)表达
?L(%)=(L2一L1)/Llx100(2)
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复合膜面溶胀率计算公式如(3)所示
AS(%)=(S2一S1)/Sl×100(3)
在wDw一1C型微机控制电子万能实验机(上海华龙公司,中国)进行拉伸强度测试(国标QB_
13022—91),标宽40intn,标距50mm,拉伸速度50ram/rain.
将制得的复合膜放在蒸馏水中浸泡24h,然后将复合膜浸泡在1mol/L的稀硫酸中,一段时间后取
出,用蒸馏水冲洗干净,用滤纸吸干表面的水后用Autolab(美国)按照文献[9]测试办法测定复合膜电导
率.
-Lab(Electrochemco)燃
料电池测试系统上进行,测试条件为:催化层活性面积5cm×5cm,,单电池温度
60?,常压H2,300cc/min,50?加湿;常压空气,cc/min,不加湿
3成果与讨论
,溶胀及机械特性
图1为采用本实验室工艺制备的复合膜表面和截面的SEM照片,从图1中很容易看出PTFE表面
已经被一层平滑致密的Nation树脂所覆盖,结合断面图可看出,Nation树脂层的厚度大概为1,
m,同时PTFE网格内部也被树脂充足填充,填充度达成了85%
成膜,本实验制备的复合膜避免了其它热压法成膜过程中PTFE和Nation树脂层存在较大界面现象的
发生,PTFE和Nation在微观上的融合达成了最佳.
(a)表面
图1Nafion/l:rI’FE复合膜的sEM图片
表l复合膜物理性能
b)断面
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质子交换膜的溶胀率,,同是以多
孔PTFE为基体的复合膜,随着疏水PTFE基体厚度的增加,复合膜的尺寸稳定性逐步增强,与
Nafionl11厚度相近的2#和3#样品在水中的面溶胀率在10%左右,明显低于Nafionl11膜;拉伸强度
方面,复合膜的干态比湿态拉伸强度大,但区别不是很明显,且随着基体膜厚度的增加,干湿态差别越来
越小,与此相比,,虽
然多孔PTFE基体厚度逐步增大,但是制备出的复合膜厚度变化较小,阐明在复合膜中起增强作用的
PTFE所占比重增加,并且由于PTFE的疏水作用,使水对复合膜影响没有Nafionl11明显,这正好与表
1的实验数据相吻合.
,气体渗入性和单电池性能
从表2电导率的测试数据能够看出,由于不同PTFE基体制备的复合膜厚度不同,因此复合膜的电
导率差别也较大,随着基体膜厚度的不停增加,
,当基体膜为25m时,,比
,由于复合膜厚度较薄,气体渗入率比均质Nation膜高,渗入过膜的气体会在
另一极发生氧化或还原而减少输出电压,具体体现为单电池的开路
电压偏低,因此复合膜最后的放电性
能应当最少同时考虑这2个因素的共同作用.
表2复合膜与Nafionl11膜所组装电池的电化学性能
将不同基体膜厚度制备的复合膜与
Nafion111膜分别组装由单电池测试,其测试
言,极化曲线的开始部分是电化学极化控
制区域,与电催化剂的性能亲密有关,由于本
实验中各个单电池所用催化剂相似,输出电压
的差别重要由质子交换膜的气体渗入性引发
的,能够看出,随着基体膜厚度不停增加,单电
池开路电压逐步增加,但仍低于Nafionl11
膜;在欧姆极化控制区域,输出电压线性下降
重要由将阴极与阳极分开的电介质离子导电
电阻引发,由于基体膜厚度为10m和15m
所制备的复合膜厚度比Nafionl11膜薄,其在
图2Nafion/PTFE复舍膜和Naflonl11膜组装
电池的伏安曲线
备的复合膜气体渗入比较大,因
性能最高(600mA/cm时输出电
,优于同条件下的美国杜邦的Nafionl11膜);在浓差极化控制区域内,电池输出电压与气
体迁移传质有关,基体膜厚度为45m的PTFE膜所制备的复合膜输出性能下降明显.
第28卷专辑?王晓恩,等:多孑LPTFE膜基体厚度对复合质子交换膜性能的影响441
4结论
以不同厚度多孑LPTFE为基体制备了复合质子交换膜,测试分析了复合膜的溶胀,拉伸等物理性
能,通过电导率和单电池的测试,对不同复合膜电化学性能进行了表征与分析,得出下列结论:
,基体膜厚度:勾15m的PTFE膜所制备的复
合膜强度是等厚度的Nation1ll膜2倍多.
,复合膜电导率减少,但在满足燃料电池质子交换膜强度规定
的条件下,复合膜电导率优势明显.
,气体渗入和电导率等因素的影响,制备性能最优的复合膜所需多孔PTFE基体
膜厚度为15m.
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