聚酰亞胺／磷酸鋯質(zhì)子交換復合膜的制備與表征

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一類綠色高效清潔能源，因在電動汽車、潛艇、便攜式電源以及電站等領(lǐng)域具有潛在優(yōu)勢而受到廣泛重視。質(zhì)子交換膜(PEM)是PEMFC的核心部件，不僅作為介質(zhì)負責質(zhì)子遷移，同時作為屏障以避免燃料與氧化劑之間的直接接觸。目前，商業(yè)化最廣泛的質(zhì)子交換膜是DuPont公司生產(chǎn)的全氟磺酸膜Natfion系列膜。Nafion膜具有良好的機械性能、化學穩(wěn)定性以及質(zhì)子傳導性能，已經(jīng)基本達到質(zhì)子交換膜燃料電池的要求。但Nafion膜成本過高，且高溫失水導致膜質(zhì)子電導率急劇下降，這些缺點限制了其推廣應(yīng)用。因此，開發(fā)高效低成本的新型質(zhì)子交換膜材料是PEMFC領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

磷酸鋯(ZrP)是一種具有良好質(zhì)子導電性能的無機層狀化合物，本身也是優(yōu)良的保水材料。近年，有報道將ZrP摻雜至Nafion制備質(zhì)子交換復合膜，并指出ZrP提高了膜的保水性能以及電池性能。但ZrP作為質(zhì)子導體并不能單獨應(yīng)用于質(zhì)子交換膜領(lǐng)域，所以選擇成本低、性能良好的聚合物作為有機基質(zhì)，將無機ZrP顆粒固定在有機聚合物中制備有機一無機復合膜材料是一種有效方法。非氟碳氫聚合物中，聚酰亞胺(PI)熱穩(wěn)定性好、化學耐受性和機械穩(wěn)定性出色，成本低且具有良好的成膜性，是作為ZrP載體的優(yōu)良選擇。PI／ZrP質(zhì)子交換復合膜能保持在較低的溶脹度，Pl／20％ZrP復合膜含水率和溶脹度分別為39％、3.9％。PI／ZrP質(zhì)子交換復合膜的質(zhì)子電導率隨著ZrP摻雜量的增加而升高。PI／ZrP質(zhì)子交換復合膜能提供穩(wěn)定的質(zhì)子傳輸通道，在90"C、相對濕度100％環(huán)境中，PI／20％ZrP復合膜質(zhì)子電導率達到3．61×10^-2mS·cm^-1。