基于PVDF薄膜辐照接枝制备质子交换膜及其性能研究

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质子交换膜是质子交换膜燃料电池的重要材料之一,其性能直接影响燃料电池的输出性能。众多研究工作表明,含氟磺酸型质子交换膜是一种具有高热稳定性、化学稳定性及良好力学性能的离子交换膜,具有极其广阔的应用前景。本文中以偏氟乙烯(PVDF)为基材薄膜,采用共辐照接枝技术,研究了以苯乙烯单体为接枝单体制备接枝膜,再用氯磺酸将其磺化处理,制备一系列不同辐照条件下的质子交换膜(PEM)的制备技术。通过FT-IR对初始基膜、接枝膜及PEM分别进行红外表征,对比分析特征峰表明,通过共辐照接枝方法制备质子交换膜是具有可行性的。辐照接枝效率与辐照实验中众多参数相关,为获得性能最佳的质子交换膜,本文首先研究了辐照总剂量、剂量率、单体浓度及阻聚剂和交联剂等辐照因素对成膜的影响,得到适宜的辐照条件:辐照总剂量30 KGy,剂量率30 Gy·min-1,单体苯乙烯浓度为4 mol·L-1,添加5%二乙烯基苯(DVB)作交联剂。其次,依据上述辐照条件,选择偏氟乙烯做接枝基材,Co60辐照接枝苯乙烯,利用称重法计算不同剂量率下的接枝率,以最大接枝率下的接枝膜进行磺化处理制备了系列质子交换膜。通过离子交换能力、质子传导率、吸水率、溶胀度、TGA、DSC、SEM-EDX及拉伸强度的分析测试,结果表明:剂量率30 Gy·min-1下,制备的辐照质子交换膜不仅具有良好的质子传导率,还具有较好的热稳定性与机械强度,最佳自制质子交换膜的离子交换容量为1.97 mmol·g-1,质子传导率224.24 mS·cm-1,吸水率72%,溶胀度26%,TGA测试表明215℃下磺酸基开始分解,该温度以下PEM均能保持良好的热稳定性;拉伸测试显示其断裂强度得到明显提高,发生屈服时对应的材料应变为99%,满足电池中PEM的使用要求。同时,SEM-EDX证明了辐照接枝不仅可发生在基材表面,在合适的辐照条件下亦可实现均匀接枝。最后,用GDE方法制备膜电极完成单电池组装,研究了热压条件、粘结剂和温度对单电池极化曲线的影响。以Nafion溶液为粘结剂,氢气流量为10 mL·min-1,氧气流量为15 mL·min-1,60℃运行时,单电池最大功率密度为198.3 mW·cm-2。
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