磺化聚醚醚酮基质子交换膜的杂化及性能研究
发布时间：2021-01-05 04:03
磺化聚醚醚酮（SPEEK）是商业化质子交换膜Nafion最理想的替代品之一。与Nafion相比,SPEEK主链及侧基的亲-疏水性差异较弱,微观结构中较多孤立的质子通道导致SPEEK的质子电导率远低于Nafion。本文从质子交换膜微观结构的设计角度出发,利用片层无机纳米填料将连续的质子通道引入基体、利用无机纳米纤维将基体中不连续的质子通道连通起来,高复合膜质子电导率的同时降低其甲醇渗透率;在片层无机纳米填料上引入碱性官能团,使填料与SPEEK基体间建立路易斯酸-碱对作用以进一步高复合膜的质子电导率;在此基础上,掺杂高质子导体磷钨酸（HPW）,利用碱性片层填料锚定HPW并与其协同高复合膜的质子电导率、稳定性和电池性能等。首先,研究不同磺化度SPEEK的微观结构与吸水率、溶胀率和质子电导率之间的关系,并与商业Nafion进行比较。发现SPEEK存在较多孤立的质子通道,采用氧化石墨烯（GO）及乙二胺改性氧化石墨烯（EGO）与SPEEK基体复合,构筑具有层状微观结构的SPEEK/GO和SPEEK/EGO复合质子交换膜。层状微观结构和路易斯酸-碱对作用对复合膜的质子电导率、甲醇渗透率及电池性能均产...
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）单电池的组成示意图，（b）MEA的组成示意图，（c）双层GDL示意图
2（1.6）图1.2 质子交换膜燃料电池的工作原理[8]Fig. 1.2 Principle of polymer electrolyte membrane fuel cell接有负载时，单电池的输出电压通常在 0.6～0.8V[4]。赫特福德大学能源中心开发的燃料电池的输出电压和电流分别是 0.7 V 和 0.6 A/cm2。为 高电池的输出功率，需要将多个单电池以串联的方式堆叠在一起制备燃料电池堆（图 1.3）[8]。
PEMFC 已经被证明是最具有吸引力的能源技术之一。它正逐渐取代内燃机，应用于航空航天、交通工具、小型和大型发电厂等领域。图1.3 燃料电池堆的组件示意图Fig. 1.3 Schematics of a fuel cell stack operation and components1.3 质子交换膜1.3.1 质子交换膜的基本要求PEM 是一种带阳离子交换基团的聚合物电解质薄层，它是 PEMFC 的核心部件，其作用是阻隔燃料从阳极流向阴极，并将阳极反应生成的质子传递到阴极[9, 10]。PEM 对燃料的阻隔能力和对质子的传输能力影响 PEMFC 的输出电压及功率密度；膜材料的机械性能、化学稳定性、热力学性能决定了电池的工作稳定性和使用寿命。为使 PEMFC 长期高效运行，PEM 应同时具有以下几个基本要求[11-13]：（1）拥有较高的质子传导率，并且是电子绝缘体。PEM 在室温下的质子传导率应至少达到10 mS cm-1才具有使用价值；（2）具有优异的燃料阻隔性。防止燃料渗透进入阴极后形成混合电位，造成电池短路；（3）良好的热氧化稳定性；（4）干湿条件下都具有优异的强度和韧性；（5）充足的吸水率和良好的保水能力；（6）膜材料化学性质与电极材料相匹配；（7）成本低廉且使用寿命长。PEM 的制造成本须控制在$200/m2以下。用于汽车移动电源时，使用寿命应至少达到十年。1.3.2 质子交换膜的分类根据材料的化学结构将 PEM 分为三类[14-16]：（1）全氟磺酸膜；（2）?
【参考文献】：
期刊论文
[1]DMFC用PES/SPEEK共混阻醇质子交换膜[J]. 黄绵延,陈华艳,郭剑钊,王志涛,许莉,王宇新. 物理化学学报. 2007(01)
[2]氧化钛纳米管的合成机理与表征[J]. 王芹,陶杰,翁履谦,宋申华,陶海军. 材料开发与应用. 2004(05)
[3]制备均一形貌的长二氧化钛纳米管[J]. 张青红,高濂,郑珊,孙静. 化学学报. 2002(08)
博士论文
[1]改性凹凸棒土固载磷钨酸（盐）及其催化酯化研究[D]. 张丽霞.江南大学 2010
本文编号：2957985
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）单电池的组成示意图，（b）MEA的组成示意图，（c）双层GDL示意图
2（1.6）图1.2 质子交换膜燃料电池的工作原理[8]Fig. 1.2 Principle of polymer electrolyte membrane fuel cell接有负载时，单电池的输出电压通常在 0.6～0.8V[4]。赫特福德大学能源中心开发的燃料电池的输出电压和电流分别是 0.7 V 和 0.6 A/cm2。为 高电池的输出功率，需要将多个单电池以串联的方式堆叠在一起制备燃料电池堆（图 1.3）[8]。
PEMFC 已经被证明是最具有吸引力的能源技术之一。它正逐渐取代内燃机，应用于航空航天、交通工具、小型和大型发电厂等领域。图1.3 燃料电池堆的组件示意图Fig. 1.3 Schematics of a fuel cell stack operation and components1.3 质子交换膜1.3.1 质子交换膜的基本要求PEM 是一种带阳离子交换基团的聚合物电解质薄层，它是 PEMFC 的核心部件，其作用是阻隔燃料从阳极流向阴极，并将阳极反应生成的质子传递到阴极[9, 10]。PEM 对燃料的阻隔能力和对质子的传输能力影响 PEMFC 的输出电压及功率密度；膜材料的机械性能、化学稳定性、热力学性能决定了电池的工作稳定性和使用寿命。为使 PEMFC 长期高效运行，PEM 应同时具有以下几个基本要求[11-13]：（1）拥有较高的质子传导率，并且是电子绝缘体。PEM 在室温下的质子传导率应至少达到10 mS cm-1才具有使用价值；（2）具有优异的燃料阻隔性。防止燃料渗透进入阴极后形成混合电位，造成电池短路；（3）良好的热氧化稳定性；（4）干湿条件下都具有优异的强度和韧性；（5）充足的吸水率和良好的保水能力；（6）膜材料化学性质与电极材料相匹配；（7）成本低廉且使用寿命长。PEM 的制造成本须控制在$200/m2以下。用于汽车移动电源时，使用寿命应至少达到十年。1.3.2 质子交换膜的分类根据材料的化学结构将 PEM 分为三类[14-16]：（1）全氟磺酸膜；（2）?
【参考文献】：
期刊论文
[1]DMFC用PES/SPEEK共混阻醇质子交换膜[J]. 黄绵延,陈华艳,郭剑钊,王志涛,许莉,王宇新. 物理化学学报. 2007(01)
[2]氧化钛纳米管的合成机理与表征[J]. 王芹,陶杰,翁履谦,宋申华,陶海军. 材料开发与应用. 2004(05)
[3]制备均一形貌的长二氧化钛纳米管[J]. 张青红,高濂,郑珊,孙静. 化学学报. 2002(08)
博士论文
[1]改性凹凸棒土固载磷钨酸（盐）及其催化酯化研究[D]. 张丽霞.江南大学 2010
本文编号：2957985
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