一种中温燃料电池用新型CsH2PO4基柔性复合电解质膜制备

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由于高效、环保、灵活性高等突出优点,燃料电池被视为最有希望替代内燃机的装置之一,并被广泛应用于各种固定设备和移动设备中。在各种燃料电池中,中温燃料电池(运行温度在100-600℃)展示出了更多吸引人的优点;具体来说,相比于低温燃料电池,中温燃料电池拥有更高的能源转化效率、更高的CO耐受性、增强的催化效率和电极动力学等;相比于高温燃料电池,中温燃料电池所需材料的选择性更广、电池寿命更长。但是高性能电解质的缺少严重阻碍着中温燃料电池的发展和商业化。因此开发综合性能优异的电解质材料对于推动中温燃料电池发展意义重大。  固体酸电解质(Solid acids),尤其是磷酸氢铯,被认为是一种非常有希望的中温燃料电池用电解质。但是固体酸内在的不足严重的制约着它们的应用,这些不足包括:差的机械性能、有限的化学稳定性、低温下质子传导率低以及窄的高质子传导率温度范围。虽然针对这些问题已进行了大量研究;但是到目前为止,没有一种方法能够同时解决这些问题。  鉴于此,本研究通过采用溶胶凝胶法结合机械球磨工艺制备出了基于固体酸磷酸氢铯(CsH2PO4)、磺化聚醚醚酮(Sulfonated poly(ether ether ketone))以及磷硅溶胶的复合电解质膜。所制备的复合电解质膜展现出了出色的综合性能;机械性能上,即使无机成分含量高达70 wt%,其拉伸强度仍能达到23.5MPa,足以满足膜电极组装(MEA,Membrane Electrode Assembly)的需要。热稳定性性能方面,复合电解质膜即使被反复加热到260℃都能保持完好。电导率测量结果显示,在周围环境无加湿条件下,在140-230℃温度范围内复合电解质膜的质子传导率都高于10-3 S cm-1。CsH2PO4基复合电解质膜的成功制备不仅为中温燃料电池提供了一种有希望的电解质膜,而且为开发具有出色综合性能电解质以及加快固体酸的实际应用都提供了全新的视角。
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