粘土粉体增强聚合物复合膜在直接甲醇燃料电池中的性能提升
Clay powder in polymer composite membranes enhanced the performance of direct methanol fuel cells
摘要整理
聚乙烯醇（PVA）因其优异的化学稳定性、机械性能和成膜能力，以及较高的亲水性和低甲醇渗透性，在燃料电池膜领域具有应用潜力。然而，纯PVA膜的质子导电率低于Nafion™膜。通过添加陶瓷填料，PVA可成为Nafion™膜的可行替代品。本研究采用溶液法制备了三种聚乙烯醇基复合膜：a) 5 wt% PVA，b) 5 wt% PVA/2 wt% PEG/1 wt% SiO₂纳米颗粒，c) 5 wt% PVA/2 wt% PEG/1 wt%粘土粉体。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDX）等方法对膜进行表征，并测定了氧化稳定性、离子交换容量、吸水特性、导电率和渗透性。FTIR、EDX和SEM确认了复合膜的成功制备，TGA验证了膜的热稳定性。甲醇渗透系数分别为：纯5 wt% PVA膜2.37×10⁻⁶ cm²/s，5 wt% PVA/2 wt% PEG/1 wt% SiO₂膜2.89×10⁻⁶ cm²/s，5 wt% PVA/2 wt% PEG/1 wt%粘土粉体膜1.57×10⁻⁶ cm²/s。粘土粉体复合膜的甲醇渗透性优于Nafion117（5.16×10⁻⁶ cm²/s）。5 wt% PVA/2 wt% PEG/1 wt%粘土粉体膜表现出优异的综合性能：氧化稳定性（RW% = 94.09，1.32 h）、离子交换容量（0.232 meq/g）、导电率（0.00432 S/cm）、甲醇渗透性（1.57×10⁻⁶ cm²/s）、选择性（3.63×10⁻⁴ S·s/cm³），以及在燃料电池工作温度下的优异吸水性能。研究表明，PVA基改性膜有望在未来超越Nafion™膜的性能。