PEM燃料电池新型电解质膜内水传输及质子传导特性的研究

本课题以质子交换膜（PEM）内的传质问题为研究背景，以新型非Nafion类PEM为载体，研究液态水在沿膜厚方向和垂直膜厚方向的传输特性及其对质子传导特性的影响规律。通过液态水在膜表面的吸附、溶解，到水在膜内的扩散、传递，建立一个基于无孔介质的数学模型，探索水和质子在微/纳米尺度的微观传递机理；搭建PEM内液态水传输可视化试验平台，研究膜结构/设计参数对膜内水和质子的吸附、扩散及传递过程的影响规律；探明外部湿度环境及温度变化对膜内传质过程的影响，揭示和验证水传输特性对膜内质子传导特性的协同效应，确定关键影响因素，寻找能实现理想的质子传导与水传输的平衡点和临界参数。本项目将为实现Nafion替代的新型电解质膜内科学的水管理提供基础数据和理论指导，具有重要理论意义。

本项目聚焦非Nafion类碳氢聚合物，合成了具有代表性的主链磺化型和侧链磺化型聚酰亚胺及聚苯并咪唑类电解质膜，通过调整不同单体的摩尔组成，制得了具有不同离子交换容量（IEC）的质子交换膜。在理论方面，对膜的分子组成与膜内水吸附及质子传导特性进行了分析与表征。基于电解质膜的质子导电率和膜内吸水率关系特征，以及质子导电率与吸附水体积分数的数学关系，建立了一个电解质膜导电率与膜内水浓度的数学模型。将模型计算得到的导电率-水浓度关系曲线与实验值进行了对比验证，获得了膜内水与质子传输机理的内在关系，该模型可以预测电解质膜实现质子传输的临界水体积分数。在实验研究方面，考察了其水吸附特征及其与膜质子导电特性的关系，同时考察了膜内水的透过特性，通过老化加速实验，考察了电解质膜的耐久性。在关键技术突破方面，建立了用于质子交换膜燃料电池的电解质膜结构、吸水率与质子传输机制的联系，对膜的分子设计提供了理论依据。并且根据膜的吸湿性和电导率的关系，申请了可用于湿度测量系统的新型功能膜相关的专利。设计研制的新型质子交换膜对于燃料电池膜电极的制作与优化提供了基础数据。. 本项目的创新点主要体现在突破了以往模型集中在Nafion膜上的局限性，以新型非氟聚合物电解质膜为载体，以膜内亲水/疏水微相分离的纳米尺度的差别来阐释质子/液态水分子的传输规律作为研究对象，探讨膜内的水吸附特征对膜质子导电性能的影响规律，在定性分析的基础上部分实现了定量预测与实验验证。. 综上所述，本项目完成了合同任务书约定的具体研究内容，技术指标及成果指标。共计完成学术论文6篇，其中在SCI收录期刊上发表论文合计2篇，EI收录论文3篇，参加燃料电池相关国际学术会议3次。已申请国家发明专利2项。培养硕士生3人，协助培养博士生1人，完成任务指标。