1、燃料電池是一種不經過燃燒直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變?yōu)殡娔艿母咝нB續(xù)發(fā)電裝置，是繼水力、火力和核能發(fā)電之后的新一代發(fā)電技術，是一種綠色能源技術。燃料電池的分類有很多，主要還是以電解質為依據，分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池五種類型。目前，質子交換膜燃料電池成為全世界研究的重點。PEMFC的主要優(yōu)點是固體電解質無腐蝕，電池制造簡單，對壓力變化不敏感和電池壽命長。質子交換膜

2、是質子膜燃料電池的關鍵組件，其結構組成直接決定著燃料電池的性能。 目前所使用的Nafion膜發(fā)展的難題在于膜的使用溫度低。膜的使用溫度達到100℃，其電導率將會大幅度下降。并且其材料價格昂貴，不利于普及使用。因此，無機材料用于制備質子交換膜成為了研究熱點之一。國外對無機電解質薄膜的研究尚處于探索階段，國內有關Si02-P205-TiO2體系電解質的研究尚未開展。 本實驗采用溶膠-凝膠法制備無機質子交換膜。溶膠-凝膠法是一

3、種反應溫度溫和，反應組分比例易控制且制備產物純凈的濕化學方法。利用該方法使前驅體在分子水平上發(fā)生水解、縮聚，引入吸濕性金屬氧化物，然后與質子傳導物質在納米范圍內進行摻雜，形成一定的三維網絡結構，具有一定的化學穩(wěn)定性和孔隙率。 本論文對無機質子交換膜的研究，目的是探索新型無機非氟質子交換膜，從而優(yōu)化質子交換膜的制備工藝、成份配比，降低成本，提高其使用溫度。根據材料結構考慮，確定了溶膠-凝膠法制備具有無定型網絡組織的Si02-P20

4、5-Ti02質子交換膜。本課題采用正硅酸乙酯、水和無水乙醇混合溶液作為前驅體，摻雜磷酸三甲酯和鈦酸四丁酯，通過溶膠-凝膠法制備Si02-P2O5-Ti02質子交換膜。 在成型過程中，分別采用壓制法和澆注法制備質子交換膜。應用XRD，SEM，TG，熱重分析技術對樣品的組成和結構進行表征。結果表明，制備的粉體及質子交換膜均為無定性網絡組織，在升溫過程中無化學反應發(fā)生，化學穩(wěn)定性較強，結構內部具有大量微孔，便于水分的儲存。 對

5、壓制成型法和澆注成型法制備的質子交換膜進行性能比較。實驗結果表明澆注法成型的質子交換膜的質子電導率要高于壓制法成型的質子交換膜，是由于內部水分流動速度增快加快了質子傳導速率。并且解釋分析了低溫時兩者出現交叉的原因。 采用交流阻抗譜儀法測試質子交換膜的質子電導率。實驗表明，影響質子電導率的因素很多，本論文詳盡論述了組成成分、溫度、厚度、相對濕度、頻率對質子交換膜的影響機理。實驗結果表明，電導率隨著溫度的升高而增大，這是由于溫度升高

6、，薄膜內部的電荷移動速度加快，內部的附著水排出，薄膜內部的孔隙率增大，從而使電導率增加。隨著膜厚度的增加，質子電導率呈略微的下降趨勢，這是由于其內部位阻增大，阻礙了質子在其內部的傳導速度。分析了磷元素和鈦元素對質子導電率的影響機理，磷元素具有良好的吸濕性，但化學穩(wěn)定性較差，適量的鈦元素可以提高其質子電導率。低頻作用時，空間電荷方向趨于有序化，使電阻值降低很快，即電導率增加的幅度很大。而在高頻時，電偶極子取向極化發(fā)生作用，在這種狀態(tài)下極性