复合的磺化聚芳醚酮砜类质子交换膜的制备及性能的研究

发布时间：2017-04-24 06:04

  本文关键词：复合的磺化聚芳醚酮砜类质子交换膜的制备及性能的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种能量转化率比较高,能量密度比较大且污染很低的能量转换装置。质子交换膜(PEMs)作为质子交换膜燃料电池的关键组成部件,不仅能够将氧化剂和燃料隔绝,而且质子可以通过其进行传递。针对已经商业化的质子交换膜Nafion在高于80℃时的质子传导率严重下降的问题,本文制备了两种复合膜以提高PEMs在高温时的质子传导率。通过溶液共混法制备含氨基的磺化聚芳醚酮砜(Am-SPAEKS)和不同磷钨酸(HPW)含量的复合膜,用以在中高温度操作条件下的PEMFCs中。红外光谱显示,氨基与HPW之间存在较强的酸碱作用,类似的氢键作用也存在于磺酸基团与HPW之间,这些相互作用起到固定HPW的效果,这一现象可以从扫描电镜(SEM)照片中得到证实。与纯Am-SPAEKS膜相比,复合膜的吸水率及热力学稳定性得到了明显改善。保水能力和甲醇渗透系数都能达到PEMs的使用范围。Am-SPAEKS/HPW30%在120℃时质子传导率达到了0.091S cm-1,以上结果显示,所制备的复合质子交换膜在中高温度具有较高的质子传导率。通过红外证实SPAEKS,HPW以及聚偏氟乙烯(PVDF)复合膜的PEMs成功制备。SEM图像显示所制备的复合膜没有出现明显的相分离结构。HPW均匀分散在膜中,可能是由于PVDF独特的微孔结构起到了固定HPW粒子的作用。热失重分析结果显示当HPW含量增加时,复合膜的热稳定性随之增加。此外,复合膜也展现出良好的抗氧化性。SPAEKS/PVDF-HPW10%复合膜在20℃时的甲醇渗透系数为1.68×10-7cm2 s 1,复合膜在80℃条件时质子传导率最高可达到0.098S cm-1,比Nafion?117的质子传导率稍低了一些。然而,相对选择性要较Nafion?117高很多。复合膜在80℃下的溶胀率只有16%,室温下的吸甲醇率仅为10.2%,这些都比相同条件Nafion?117的溶胀率和吸醇率要低很多。以上数据分析表示,该系列复合膜有希望在直接甲醇燃料电池(DMFCs)中得到应用。
【关键词】：质子交换膜 磷钨酸 氨基 磺酸基团 复合膜 甲醇渗透系数 质子传导率
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4;TB383.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-24
• 1.1 概述8
• 1.2 燃料电池简介8-10
• 1.2.1 燃料电池的分类及特点8-10
• 1.2.2 燃料电池的工作原理10
• 1.3 质子交换膜燃料电池10-13
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池的发展10-11
• 1.3.2 质子交换膜燃料电池的工作原理11-12
• 1.3.3 直接甲醇燃料电池（DMFC）12-13
• 1.4 质子交换膜13-23
• 1.4.1 质子交换膜中质子的传输机理13-14
• 1.4.2 氟化共聚物质子交换膜14
• 1.4.3 非氟化聚合物质子交换膜14-15
• 1.4.4 质子交换膜用无机材料15-17
• 1.4.5 有机-无机纳米复合质子交换膜材料17-23
• 1.5 本文的设计思想23-24
• 第二章 实验部分24-28
• 2.1 实验原料与试剂24
• 2.2 实验仪器24-25
• 2.2.1 红外光谱（FT-IR）24
• 2.2.2 核磁共振（1H-NMR）24-25
• 2.2.3 热重分析（TGA）25
• 2.2.4 X射线衍射分析（XRD）25
• 2.2.5 气相色谱25
• 2.2.6 交流阻抗能谱25
• 2.2.7 机械性能25
• 2.3 膜的性能表征25-28
• 2.3.1 吸水率和溶胀率25-26
• 2.3.2 膜中水的脱附系数26
• 2.3.3 氧化稳定性26
• 2.3.4 甲醇渗透系数26-27
• 2.3.5 质子传导率27-28
• 第三章 含氨基磺化聚芳醚酮砜/磷钨酸复合膜的制备与性能研究28-39
• 3.1 引言28
• 3.2 实验部分28-29
• 3.2.1 Am-SPAEKS的制备28-29
• 3.2.2 复合膜的制备29
• 3.3 结果与讨论29-38
• 3.3.1 Am-SPAEKS共聚物的表征29
• 3.3.2 膜的FT-IR光谱图29-30
• 3.3.3 膜的热性能和力学性能30-31
• 3.3.4 膜的微观形态31-32
• 3.3.5 膜中HPW的稳定性，吸水性率和溶胀率32-34
• 3.3.6 膜的保水能力34-35
• 3.3.7 氧化稳定性35
• 3.3.8 质子导电率和甲醇渗透系数35-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 磺化聚芳醚酮砜/聚偏氟乙烯/磷钨酸复合膜的制备与性能研究39-50
• 4.1 引言39
• 4.2 实验部分39-40
• 4.2.1 SPAEKS-100%的合成39
• 4.2.2 复合膜的制备39-40
• 4.3 结果与讨论40-49
• 4.3.1 复合膜的表征40-41
• 4.3.2 复合膜的微观形貌41-42
• 4.3.3 XRD分析42-43
• 4.3.4 膜的热稳定性43
• 4.3.5 膜的吸水率，，溶胀率，甲醇吸收率以及氧化稳定性43-46
• 4.3.6 膜的质子传导率46-47
• 4.3.7 甲醇渗透系数47-48
• 4.3.8 膜的相对选择性48-49
• 4.4 本章小结49-50
• 第五章 结论50-51
• 致谢51-52
• 参考文献52-58
• 作者简介58
• 攻读硕士学位期间的研究成果58

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