燃料电池用聚丙烯腈基交换膜的制备与性能

发布时间：2020-07-08 15:18

【摘要】：面临能源危机与环境恶化的严峻形势,开发一种“绿色”、“安全”的新型能源已成为必然趋势。燃料电池,作为一种最具潜力的能源利用方式,凭借着高效、清洁、安全、可靠等诸多优势,被国内外学者广泛研究,燃料电池用聚合物电解质膜材料也因此受到追捧。近年来,研究热点主要集中于质子交换膜和阴离子交换膜,而对于长期占据市场的Nafion膜而言,存在价格贵、合成工艺复杂等不足,基于上述研究现状,本论文的研究内容如下:(1)利用自由基溶液聚合,制备了丙烯腈-苯乙烯-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AN-St-AMPS)质子交换膜,一方面,AMPS参与聚合,引入大量的磺酸基团,提升膜的质子传导率和亲水性能,另一方面,加入油溶性单体苯乙烯,改善因磺酸基团过多造成的膜尺寸稳定性下降的难题。测试结果表明,在80~oC时,AN-St-AMPS 50膜的吸水率为42%,质子传导率可达1.4×10~-33 S/cm,室温条件下,AN-St-AMPS 50膜的溶胀度仅为8.6%。当AMPS含量从20%增加到50%时,质子交换膜的拉伸强度从31.79 MPa降低至16.65 MPa。此外,该质子交换膜具备较为优异的热稳定性和氧化稳定性。(2)利用聚丙烯腈与碘化1-乙烯基-3-甲基咪唑([VMIm][I])离子液体进行原位聚合,制备了咪唑型阴离子交换膜。FTIR分析验证了离子液体成功原位聚合到聚丙烯腈基体中,SEM电镜表明离子液体与聚丙烯腈基体之间有很好的相容性。通过咪唑阳离子的引入,提高膜的耐碱性能与热稳定性,研究表明,该阴离子交换膜在2 M NaOH溶液中浸泡240 h,膜的结构没有发生变化,离子传导率仍保持原来的92%左右,并且热失重结果表明阴离子交换膜在300 ~oC内具有较好的热稳定性。80 ~oC条件下,聚丙烯腈与离子液体的质量比为1:1时,氢氧根传导率达到1.35×10~-33 S/cm,同时,离子液体的引入,降低了膜的拉伸强度和弹性模量,增加了膜的柔韧性。
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TM911.4
【图文】：

燃料电池,工作过程,氢能

第 1 章绪论电池源短缺和环境恶化严重制约着社会发展，人而，新型清洁能源的开发势在必行。氢能，因予“未来能源”的美誉。近年来，科研工作者能和高能量转化率的氢燃料电池汽车，氢能正 2050 年，氢能在我国能源结构中占比有望达]。Cell），通过氢气等燃料的燃烧，高产率地实时，不受卡诺循环的限制，工作过程如图 1.1多优势，被认为是一种最具潜能的发电技术领域[4]。下面主要对质子交换膜燃料电池与碱

工作原理,电池技术,贵重金属,反应动力学

图 1.2 PEMFC 的工作原理池（AFC），AFC 可使用银、镍等非贵重金属催化剂，有下具备更快的反应动力学；另外，AFC 可使用。鉴于以上优势，AFC 作为新一代电池技术，的工作原理如图 1.3 所示，具体反应式如下：- -2H = 4H O + 4e- -O + 4e = 4OH2 2 = 2H O

工作原理,电池技术,贵重金属,反应动力学

图 1.2 PEMFC 的工作原理（AFC）AFC 可使用银、镍等非贵重金属催化剂，具备更快的反应动力学；另外，AFC 可使用鉴于以上优势，AFC 作为新一代电池技术作原理如图 1.3 所示，具体反应式如下-2 4H O + 4e- - 4e = 4OH2 2H O

【参考文献】