基于高温燃料电池的NAFION/无机复合膜微结构与水传递特性的研究

复合膜材料的微结构对高温燃料电池膜内含水量的影响至关重要。目前对高温条件复合膜含水量和质子传导率的研究仅限于离线的实验测定，而膜微结构对水平衡和传递特性的研究刚刚起步，受限于实验手段还缺少微结构的表征数据，现阶段还没有将电极微观结构的变化与电池宏观性能结合起来研究。本项目旨在从Nafion/无机复合膜微观结构分析出发，建立高温条件复合膜的水的气液相变模型；结合高温条件下膜内水含量的在线分析及水扩散系数的离线测定，分析复合膜微结构变化对膜含水量及水传递特性的影响规律，研究微结构变化与电池宏观性能的影响规律，实现从微观到宏观研究的创新。本项目研究将丰富复合膜微结构的评测方法以及分析手段，充实高温质子交换膜燃料电池的模型研究，为高温质子交换膜燃料电池的性能的提升提供理论依据，对高温燃料电池的深入研究将起到积极作用。

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）具有更好的CO耐受性、更简化的水热管理系统、更快的阴极过程、和更优的热利用特性等优点，因而，受到了研究者的广泛关注。本研究项目的结果包括三方面内容：. 1：采用在线溶胶-凝胶法制备Nafion/SiO2复合膜，创造性地实现了对在线溶胶-凝胶法制备复合膜中SiO2 纳米粒子粒径在一定范围上的控制。利用浓硫酸直接磺化的办法对Nafion/SiO2复合膜进行磺化处理，提出了磺化过程中SiO2表面结构发生的变化规律。. 2: 对Nafion/SiO2复合膜热力学平衡物性参数进行了测量, 进行了基于叔铵盐类离子液体的无纺布复合膜的研究。结果表明PP-NW/[N111].H2PO4复合膜取得了较好的电池性能，与已有的其它离子液体复合膜体系相比该体系存在一定的优越性。. 3：开发了高温质子交换膜燃料电池用聚苯并咪唑膜/磷酸高温浸渍制备工艺，单电池最大功率密度达到 1.53 W cm-2；对聚苯并咪唑树脂进行接枝改性，单电池最大功率密度达到 1.17 W cm-2、恒定电流运行 100 h，电池电压无衰减；研究了多孔聚苯并咪唑/磷酸复合膜的质子传导机理，测试了其电池环境下 200 h 运行稳定性并分析了其性能衰减原因；以氧化石墨烯为功能材料开发了聚苯并咪唑/氧化石墨烯共混复合膜，测试结果表明所开发的氧化石墨烯增强复合膜具有较高的机械性能，浸渍磷酸后其质子电导率和电池也有所提升。