NafionSiO2PWA复合膜甲醇扩散系数.pdf

Nafion-SiO -PWA 复合膜甲醇扩散系数1 2 * 陈超，陈胜利 ，崔凯跃 中国石油大学（北京）化学科学与工程学院重质油国家实验室，北京（102249 ） E-mail: slchen@ 摘 要：本文通过溶胶-凝胶法制备出Nafion-SiO ，Nafion-SiO -PWA 复合膜。利用自制的 2 2 扩散池对膜的甲醇扩散系数进行了测定。实验发现，选用不同浓度的甲醇溶液进行扩散时， 膜的扩散系数基本不变；向Nafion 中加入少量无机物SiO （3 wt% ）和SiO -PWA （4.5 wt% ） 2 2 － － -6 2 6 2 6 后，膜的甲醇扩散系数显著降低，分别从2.29×10 cm /s 降至1.76×10 cm /s 和1.82×10 cm2/s ，即甲醇扩散系数分别降低了23 % 和21 % ，但是无机物含量继续增加时，膜的甲醇 扩散系数反而升高。 关键词：DMFC；Nafion-SiO -PWA；Nafion-SiO ；甲醇渗透；扩散系数等 2 2 中图分类号：TM911.4 1. 引 言 直接甲醇燃料电池（DMFC ）具有体积小、重量轻、系统结构简单、燃料来源丰富、价 格低廉、储存携带方便、安全性高等优点，被公认为近年内会率先实现商业化的燃料电池。 目前，DMFC 中广泛采用的质子交换膜是Nafion®膜，虽然这类膜具有优异的化学性能，但 是甲醇渗透率高达40%[1] 。这不仅造成甲醇燃料的浪费，还引起阴极催化剂中毒，并在阴极 形成混合电位导致电池电位的下降，最终降低电池的整体效率。浦鸿汀等[2]认为添加纳米级 无机物可以堵住聚合物的微孔，从而提高复合膜的抗渗透能力，利于降低甲醇渗透率。Miyake 等认为[3]，由于复合膜中的SiO 对水有较强的亲和力，因而在甲醇溶液中，它首先吸收水分， 2 然后再吸收甲醇，因此可大大降低甲醇的吸入量。 近年来，许多文献涉及质子交换膜甲醇渗透性能的研究[4-16] 。甲醇扩散浓度的测定方法 通常采用差示折光仪[16]，放射性示踪技术[10]，循环伏安法[13]，色谱法等。Skou[12]等发现Nafion 膜的甲醇扩散系数随温度的升高而升高，60℃时甲醇扩散系数为4.9×10-6 2 [17] cm /s 。Pivovar 等发现Nafion-117膜的甲醇渗透率随甲醇浓度（0-50 vol% ）的增加而升高。但是，DMFC 中 常用甲醇水溶液的浓度不超过4 M （12 wt%左右），一般为1 M （空气作氧化剂）或2 M （氧 气作氧化剂），为此，本文考察了甲醇浓度分别为1 M、2 M、3 M和4 M时膜的扩散系数的 变化。 目前，向Nafion 膜中加入 SiO2 的方法大致可以分为三类：直接加商业 SiO2 颗粒、加 SiO [18] [19] 2 水溶胶和直接