基于微孔聚四氟乙烯的复合质子交换膜

2009年第28卷第8期CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS·1395·化工进展基于微孔聚四氟乙烯的复合质子交换膜李雷1,2，蒋金芝1，尚玉明2，冯少广2，谢晓峰2（1中南大学化学化工学院，湖南长沙410083；2清华大学核能与新能源技术研究院，北京100084）摘要：研究了基于微孔聚四氟乙烯（PTFE）的复合方式，通过将自制ABPSH40树脂——N,N-二甲基乙酰胺溶液流延在用液相介质表面处理法改性过的聚四氟乙烯微孔膜表面上，制得了均匀的ABPSH40/PTFE增强复合质子交换膜。采用扫描电镜（SEM）观察复合膜的表面及断面形态，采用气相色谱仪（GC）测定了复合膜的甲醇渗透性，利用交流阻抗（AC）测定了膜的质子传导率。结果表明，ABPSH40树脂在复合膜内分布均匀，而且PTFE膜微孔填堵充分；复合膜具有优越的尺寸稳定性，较低的甲醇渗透率和接近Nafion膜的质子传导率，和ABPSH40均质膜进行比较后的优点明显。ABPSH40/PTFE增强复合质子交换膜可望成为一种直接甲醇燃料电池用质子交换膜。关键词：微孔聚四氟乙烯；复合膜；甲醇渗透率；尺寸稳定性；质子传导率；燃料电池中图分类号：TQ15文献标识码：A文章编号：1000–6613（2009）08–1395–05Porous-PTFEreinforcedcompositemembraneforfuelcellapplicationsLILei1,2，JIANGJinzhi1，SHANGYuming2，FENGShaoguang2，XIEXiaofeng2（1CollegeofChemistryandChemicalEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，Hunan，China；2InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China）Abstract：ABPSH40/PTFEcompositemembraneswerepreparedbycastingABPSH40resinsolutionontothesurfaceofmodifiedporousPTFEfilms.MicrostructureofthecompositemembraneswasstudiedbySEM,themethanolpermeabilitywasanalyzedbyGC,andtheprotonconductivitywasinvestigatedbyACimpedance.ResultsshowedthattheABPSH40resiniswellpluggedintothemicroporesofPTFE.ComparedwithABPSH40membranes,thedimensionalstabilityandmechanicalstrengthofthecompositemembranesarebothapparentlyimproved.TheABPSH40/PTFEcompositemembraneshavelowermethanolpermeabilityandacomparableprotonconductivitywithNafionmembrane.ItisprospectivelythattheABPSH40/PTFEcompositemembranescanbeusedinDMFC.Keywords：porous-PTFE；compositemembrane；methanolpermeability；dimensionalstability；protonconductivity；fuelcell直接甲醇燃料电池（DMFC）是最有希望率先实现商业化的燃料电池之一，受到各国政府、企业和研究机构的广泛关注，目前许多公司已相继拿出了样机。然而其商业化突破仍受到质子交换膜、电催化剂等关键材料的制约[1－2]。目前，DMFC大多数使用的是全氟磺酸质子交换膜，如Nafion膜等。然而这些膜存在使用温度低、甲醇渗透率高、成本较大等问题，限制了其在燃料电池中的应用[3－4]。研究者们在总结上述问题后尝试开发了多种非氟质子交换膜，如磺化聚醚醚酮、磺化聚醚砜、磺化聚苯并咪唑、磺化聚酰亚胺等。低成本的磺化聚醚醚酮及磺化聚醚砜具有合适的热稳定性及化学稳定研究开发收稿日期：2009–02–27；修改稿日期：2009–04–27。基金项目：国家自然科学基金（50703021）及国家高新技术研究发展计划（2007AA05Z146，2007AA05Z150，2008AA03Z205）资助项目。第一作者简介