自组装燃料电池HPA/meso-silica无机质子传导电解质研究

贵金属Pt资源短缺与燃料电池电极催化方式的矛盾已经成为质子交换膜燃料电池产业应用必须逾越的技术瓶颈。2007年全球Pt产量约为6.66百万盎司,供应缺口已经超过0.256百万盎司。运行温度高于100℃的高温燃料电池被认为可以克服催化剂中毒、加快电极反应速率、简化水热管理系统、降低催化剂中贵金属Pt的使用量,因而成为燃料电池研究领域的热点之一。然而,当前广泛应用的全氟磺酸质子交换膜(如Nafion膜,Dupont公司)质子传导率严重依赖液态水,在电池温度升高时由于液态水含量下降电导率很低,因此难以在100℃以上运行。无机质子传导材料近年来逐步进入高温燃料电池研究者的视线,由于不受玻璃化温度的限制从而具有良好的热稳定性,同时具有良好的质子传导能力,是一种非常有前景的高温燃料电池用质子传导材料。本文基于之前介孔SiO2负载磷钨酸这种无机传导材料的研究,利用Nafion作助表面活性剂,采用静电多相自主装的方法合成了Nafion/介孔SiO2/磷钨酸无机质子交换膜,研究了这种无机质子交换膜在低温和高温下的性能。得到以下结论： (1)采用自制的测试粉末质子电导率的装置,测试了HPW(磷钨酸),HPMo(磷钼酸),HSiWO[硅钨酸)三种无机酸的质子电导率,其中HPW17H2O在15℃电导率为0.015S/cm,高于HSiW,与HPMo相当,但考虑其优越的物理化学稳定性,所以选取HPW负载在有序的氧化硅无机质子交换膜上。 (2)采用多相静电自组装的方法,利用Nafion作为助表面活性剂合成了高度有序的Nafion/介孔SiO2/磷钨酸电解质,小角XRD结果表明其高度有序且具有二维六方孔道结构,孔道直径为6nm。场发射SEM元素分析膜中含有硫、钨等元素,证明Nafion、磷钨酸在膜中分布均匀。膜在低温和高温都表现出较高的质子传导率,在200℃,干态下膜的电导率高达0.044S/cm。 (3)不同Nafion含量的Nafion-Silica-HPW电解质通过多相静电自组装的方法制备而成,并对其当结构及性能产生不同程度的影响,当Nafion成分低于30wt%时,Nafion-Silica-HPW电解质拥有高度有序的孔道结构,当Nafion含量增加至40%时,无法形成周期性的有序结构。Nafion-Silica-HPW电解质的吸水率随着Nafion含量的增加而逐渐降低,最高吸水率接近100%,具有较好的高温保水能力,低于30wt%Nafion无机膜在高温和低温均表现出较高的质子传导能力,40wt%Nafion含量的无机膜低温性能突出,但高温性能较差。