维普资讯 http://www.cqvip.com 第8卷第4期 2002年11月 电化学 ELECFR0CHEMISrRY V01.8 No.4 Nov.2002 文章编号:1006.3471(2002)04.0433.06 全氟磺酸离子交换重铸膜的结构与性能研究 刘凤岭 ,曾 蓉,李培金,王贫清,赵长虹 (北京世纪富原燃料电池有限公司,北京100023) 摘要: 本文研究全氟磺酸离子交换重铸膜的结构、性能并与Nationn膜进行比较.结果表明:重 铸膜FYM1150与Nafion' ̄膜的成分相同,但它们具有不同的结构,FYMll50干膜中含有部分50-- 300 m不贯穿断面的小孔。而Nafionll2干膜为无孔密实结构;FYM1150的力学性能优于 Nafi0n。膜;受多孔结构的影响,在高电流密度端,使用FYMll50制备的膜电极,其电池性能也优 于Nafion112膜. 关键词: 全氟磺酸离子交换重铸膜;结构与性能;质子交换膜燃料电池;Nafion ̄ 中图分类号: O 646 TM 911 文献标识码:A 全氟磺酸离子交换膜因其良好的离子可透过性、力学性能、耐热性能以及化学稳定性能, 在未来洁净能源如质子交换膜燃料电池(PEMFC)中获得了广泛的应用【1--10],同时也因其价 格昂贵、降解性能和高温(>80℃)工作特性差【11--15]而需要进行有效回收和改性.溶液制备和 重铸(recasting)技术作为全氟磺酸离子交换膜回收和改性的基本手段,它不仅可以改变原有 薄膜的结构,同时也可能影响重铸薄膜的性能.有鉴于此,本文就全氟磺酸离子变换重铸膜的 结构和性能进行了研究. 1 实验 全氟磺酸离子交换重铸膜FYM1150由北京富原先锋能源材料有限公司提供;Nafionl12、 Nafionl17为Du Pont公司(美国)产品.显微观察采用MultimodeⅢA型原子力显微镜( 、M) (美国Digital Instrument公司);显微红外光谱采用Magna-IR750光谱仪;力学性能按ASTM D822--95a采用Series LX Automated Materials Testing System测试;电池性能采用活性面积 为5 cm2的自制质子交换膜燃料电池膜电极. 2结果与讨论 2.1 重铸膜FYM115O与Nafionll2膜的AFM图像对比 图1 a)、b)为于50℃真空干燥24 h后FYM1150和Nafionl12膜的AFM断面图像.可以 看出:FⅥ 1150中含有部分50--300 nm不贯穿断面的小孔,而Nafionll2膜为无孔密实结 收稿日期:2002—02—08,修订日期:2002.04—02 *通讯联系人,Tel:(86—10)87302681,E—mail:lfliu163@163.com 维普资讯 http://www.cqvip.com ・434・ 电 化 学 2002拄 图1重铸膜FYM1150与Nationll2膜的AFM断面图像 Fig.1 AFM image of a closs section of membranes:a)recasting membrane FYMll50, b)Nation112 构.这可能是由于前者在制造 过程中产生相分离[16-1 7l,使膜 中生成部分小孔;而后者乃是 熔融挤出膜,不具备小孔的生 成条件. 2.2重铸膜FYM1150与 Nafion1 12膜的显微 红外光谱研究 50℃真空干燥24 h后 FⅥⅥ1150与Nafionl12膜之 显微红外光谱测试结果如图2 所示,从图可见:FYM1150与 /cm Nafion112膜所有的谱带、形 图2 FYMll50与Nationll2膜的显微红外光谱测试结果 状、峰位和峰宽基本相同,说 Fig.2 Micro-infrared spectrogram of FYM1150 and Nationll2 明这两种膜的成分是一样的, 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 刘凤岭等:全氟磺酸离子交换重铸膜的结构与性能研究 ・435・ FⅥvI1150在制备过程中没有降解和其它化学反应发生.在全氟离子交换膜的回收和改性工艺 中。确保重铸膜不因高温降解而损失性能,乃该工艺是否可行的关键. 2。3重铸膜FYMll50与Naifon112膜的力学性能比较 表1比较了50℃真空干燥24 h后FYM1150与Nafion112膜的力学性能测试结果。从表 中可以看出:FYMll50的杨氏模量约为Nafionll2膜的2。2倍。断裂强度增加约10%。而断裂 伸长率相应减少.由于PEMFC膜电极常因膜的大幅度变形而损坏,因而FYM1150抵抗变形 能力和断裂强度的增加对PEMFC用膜是有利的.究其原因。可能是因为FⅥvI1150在重铸成 膜过程中有两种类型的结晶过程【18J,当结晶度超过挤压成型Nation ̄膜时,反映在力学性能 上,就会引起杨氏模量和断裂强度的增加。而断裂伸长率相应减少. 表1 FYM1150与Nation膜的力学性能比较 Tab.1 Comparison of mechanical properties of FYM1150 and Nafion112 2.4重铸膜FYM1150与Nation ̄膜的电池性能比较 图3比较了FYMll50与Nafion112的电池性能,相应测试条件列于表2.表中stoic指化 学计量比,从图中可以看出:在输出电压为 800 mV~1000 mV的范围内。FYM1150与 Nation112膜基本相同,但随着输出电流密 度的增加,F 嗄1150的输出电压高于 Nation112膜。这可能是随着电流密度的增毫 加,水的电渗透量增加,膜电极氢气侧的脱 水程度增加,而FYM1150中由于含有50~ 300 nm的小孔,在小孔的毛细作用下,氧气圣 侧生成的水向氢气侧渗透。相应提高了膜的0 保水性能。也就是说,在相同的电流密度下。 FⅥvI1150膜中含水量相对较多。膜电阻相 对较小,因而高电流密度端的电池性能得以 提高. 2.5重铸膜FYM1150在各种工况条 图3重铸膜FYM1150与Nation膜的电池性能比 较 Fig.3 Discharge peIf(IITnance of the recasting FYM1150 and Nafion melT1b.rane 件下的放电性能 图4为各种工况条件下FⅥvI1150的电 流/电压特性曲线.从图中可以看出:用空气 维普资讯 http://www.cqvip.com ・436・ 电 化 学 2002正 代替氧气,膜的最大功率密度由790 InW/cm2急剧下降到478 mW/cm2.为使PEMFC商业化, 提高氢/空气电极的功率密度.同时也可以看出:电池温度较高时,膜的最大功率密度较大, 因此,可根据实际运行条件适当提高电池的工作温度. 之3暑蛊10》=uU O 0 0 0 表2 FYMll50放电性能测试条件 —_.一standard —.卜-alltomotive --●卜-scot)ter ,--o--air ambient -・●-・standard 。,,11-。automotive ・1.-・scooter ・◆・air ambient i/mA・cm‘2 图4重铸膜FYMll50在各种工况条件下的电池性能 Fig.4 Discharge perfommceofthe recastingmeaT!braneFYMll50 in varietyof cases 3结论 1)真空干燥后重铸膜FYMll50中含有部分50 ̄300衄的小孔,而Nation112膜为无孔 维普资讯 http://www.cqvip.com 第4期 刘凤岭等:全氟磺酸离子交换重铸膜的结构与性能研究 ・437・ 密实结构. 2)重铸膜FYM1150与Nafionl12膜成分相同,重铸膜在制备过程中没有降解和其它化学 反应发生. 3)FⅥ 1150的力学性能高于Nation膜,杨氏模量约为N幽on膜的2.2倍,断裂强度增加 约10%,而断裂伸长率相应减少,这对PEMFC用膜是有利的. 4)重铸膜FYM1150的电池性能在80~1000 mV的范围内,与N ̄ion112膜基本相同,而 在高电流密度端,输出电压高于N ̄ion112膜. An Investigation on Microstructure and Performance of the Recasting Perfluorosulfonated Membrane LIU Feng—ling ,ZENG Rong,LI Pei—jin,WANG Pin-qing,ZHAO Chang—hong (Beijing Century Fuel Cell Ltd.Co.,Beijing 100023,China) Abstract:The micrsoturcture and performance of the recasting perfluorosulfonated membrane were investigated by comparison with Nation ̄.The results indieatde that although chemical com— ponents of the recastign membrane F 压1150 kept the same as Nation ̄。the dry FYM1150 dif・ fered from dry Nafion ̄membrane in structure,the former p。6sesSed osme small pores which are not through-holse having a diameter of 50~300 nln while the latter had almost no pores;The mechanical propertise of the FY 1150 were better than htose of Nation ̄:The discharge eprfor— I/lance at high current density of M吼 usign FYM1150 membrane sa an electrolyte Was laso bet・ ter than one usign Nation ̄as electrolyted due to the porous structure in the FY】Ⅵ1150. Key words:The recastign epriluorosulfonated membrane,Micrsotructure&propertise,Pro— ton exchange membrnae fuel cell,Nation ̄ Heterences: [1]Fang Du,Yang Weiyi.Perfluomsulfonated Ion-exchange Membranes-manufacturing Process,Performance and Application[M].Beijing:Chemical Industry Pulbishing Company,1993. [2]Huang Zhuo,Tu Hai—ling.R&D and Application for Proton Exchange Membrane Fuel Celis[M].BeJjing: MetallurgyIndustryPublishingCompany,2000. [3] Beatlie P D。Orfino F P.Ionic conductivity of proton xechange membranes[J].J ̄mal of Electroanalytical Chemistry,2001,503:45. [4]Philip A B.I艘5183545. [5]Arimura T'Ostrovskii D.The effect of additives on the ionic conductivity perform ̄ces of perfluoroalkyl sul— foated ionon'ler membrnaes[J].Solid State Inoics,1999,118:1. 维普资讯 http://www.cqvip.com ・438・ 电 化 学 2002焦 [6]MotupaUy S,Becker A J.Difusion of water in Nafin 115 Membroanes[J].Journal of Electrochemical Society, 2oo0。147(9):3 171. [7]Thampan T.Mathotra S.Modding of onductcive transport in proton-exchange membranes orf fuel cells[J]. Joumal of Electrochemical Society,2000,147(9):3 242. [8]Moore R B,Cable K M,Croley T L.Barriers to lfow in semicrystllaine ionomers[J].Joumal of Membranes Science,1992,75:7. [9] Murphy O J,Hitchens G D,Mfll-lko D J.High power densiy prtoton exchange melnbrarle fuel ceUs[J].J. Power Sources,1994,47:353. [10] Katsuyamu S T.Devdopment and systemic application for solid polymer elcteolryte fuel cell stack[J].Ki. nozairyo,1999,19(7):13. [11]Nogai M,Kohayashi K,Nakajima Y.Inorganic-organic composite protonic conductors comprising silicophos. phate glass nd iaon-xchaenge resin[J].Solid Stale lonics,2000,136~137:249. [12]YangC。Sfinivasan S.CompositeNafion/zironicum phosphatemelTlbFanesfor directmethanolfuel cell opera— tion at high tmpereature[J].Electrochemical and Solid-State Letters,2001,4(4):A31. [13]Staiti P,Ariob A S.Hybrid Natin-osilia mercnbrneas doped th heteopolryacids for appliatcion in direct methanol fud cells[J].Solid State Iniocs,2001,145:101. [14]Hamroek S J.WO 00/79629. [15]Antnuccoi PL,AriobAS.Investigatinoffol directmethanolfuel cellbasedonfl compositeNaiton-siliadecc- trolyte f0r Kgh temperature operation[J].Solid State lonics,1999,125:431. [16]Pinnau,FreemanBD.FormationandModifiatcionofPolmeryicMembranes:Overview,chapter1,in:I.Pin. nau nd B.D.Fre ̄nan.Meambrane Formatin and Modiofiatcion[M].USA:Amerian Checmical Society, 2o00.1~22. [17]Translated by Li Lin,Proofread by San Diefng.Basiac principles of me ̄rlbrane technology(second ediiton) [M].Beijing:Tsinghua Universiy tPublishing Company.1999. [18]Ladvig ̄M,Lindgrn eJ,Tegenfddt J.Crystlalinity in cast Nafin[J].Joumalo of Electrochemical Society, 2oo0,147(4):1 303.