SPPESK电纺有序纤维复合质子交换膜的制备及性能

发布时间：2017-09-14 01:11

  本文关键词：SPPESK电纺有序纤维复合质子交换膜的制备及性能

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【摘要】：目前,Nafion膜是质子交换膜(PEMFC)广泛应用的质子交换膜(PEM),但是它使用成本高、甲醇渗透率高、氢气渗透等缺点限制了PEMFC的发展。含有芳香环的非氟类高分子化合物由于其成本低以及化学稳定性高等特点受到越来越多的研究者重视,非氟质子交换膜的缺点是质子传导率低。传统方法通过增加离子离子交换容量(IEC)来改善非氟膜的质子传导性,但是IEC过高会使得膜过度溶胀。静电纺丝法可以制备纳米级纤维,通过堵孔可以制备质子交换膜,由于离子簇在静电场作用下发生聚集,形成联通的质子通道,提高了PEM的质子传导性,并且在纤维网络的支撑下可以提高膜的耐溶胀性能。本文利用静电纺丝方法,制备了表面有序纤维复合质子交换膜,进而制备了厚度有序纤维复合质子交换膜。提高了膜厚度方向质子传导率,并具有优异的物质相容性,国内外未见报道。首先,通过静电纺丝法制备出平行有序的SPPESK纳米纤维,考察了纺丝液浓度、喷射流速、电压、滚轮转速对制备平行有序纤维形貌的影响。确定最优纺丝条件为：纺丝电压为20kV、滚轮转速为2000rpm、喷射流速为6μL/s、纺丝液浓度为20.2wt%。所制备的电纺纤维平行有序,直径范围100-300nm。然后,利用相同离子交换容量的SPPESK溶液对平行有序纤维堵孔,制备了表面有序纤维复合质子交换膜(Surface Aligned PEM, SA-PEM)。考察了不同IEC下,SA-PEM的性能。通过优化实验得到,80℃下,IEC1.82mmol/g的SA-PEM平行纤维方向电导率可达到163mS/cm,是同IEC下浇铸膜的1.16倍,与Nafionl 15膜(153mS/cm)相当,纤维复合膜溶胀度仅为22.0%,与Nafionl 15(21.0%)膜相当,小于浇铸膜(29.1%)为了提高质子交换膜厚度方向质子传导率,将IEC1.82mmol/g的平行有序SPPESK纤维叠加,经过堵孔溶液浸润、干燥,再经过切片、平整、干燥、质子化后,制备了SPPESK纤维沿厚度有序的厚度有序纤维复合质子交换膜(Thickness Aligned PEM, TA-PEM)。研究表明,TA-PEM的平整处理,可以提高膜表面相容性,降低各向异性。平整后TA-PEM具有更优异的电、化学性能以及机械性能。80℃下,跨膜质子传导率达到30.0mS/cm,溶胀度仅为23.0%,均与Nafionl 15膜(36.0mS/cm,21.0%)相当；拉伸强度达到19.3MPa远高于Nafion115膜；单电池操作的渗氢电流密度为2.37mA/cm2,开路电压达到0.95V,表明TA-PEM致密性优良。其功率密度为295mA/cm2,达到Nafion115膜的1.28倍。
【关键词】：磺化聚芳醚砜酮 静电纺丝法 有序纳米纤维 质子交换膜 燃料电池
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 文献综述11-27
• 1.1 燃料电池及其发展11
• 1.2 燃料电池优点及分类11-12
• 1.3 质子交换膜燃料电池12-14
• 1.3.1 工作原理12-13
• 1.3.2 关键组件13-14
• 1.4 质子交换膜14-15
• 1.4.1 质子交换膜要求14
• 1.4.2 质子交换膜分类14-15
• 1.5 非氟质子交换膜改性方法15-18
• 1.5.1 聚合物共混法15-16
• 1.5.2 无机颗粒掺杂法16-17
• 1.5.3 交联法17-18
• 1.6 静电纺丝法18-22
• 1.6.1 静电纺丝法原理18-19
• 1.6.2 静电纺丝特点及影响因素19-20
• 1.6.3 静电纺丝法在质子交换膜中应用20-22
• 1.7 SPPESK质子交换膜改性研究22-25
• 1.8 论文选题的意义及研究内容25-27
• 2 静电纺丝法制备平行有序SPPESK纳米纤维27-37
• 2.1 实验部分27-30
• 2.1.1 主要药品及试剂27
• 2.1.2 实验设备及仪器27-28
• 2.1.3 SPPESK的制备28-29
• 2.1.4 静电纺丝法制备平行有序SPPESK纳米纤维29-30
• 2.1.5 不同条件下制备平行有序SPPESK纳米纤维30
• 2.1.6 膜性能表征30
• 2.2 结果与讨论30-35
• 2.2.1 纺丝液浓度对平行有序纤维的影响30-31
• 2.2.2 收集器转速对有序纤维的影响31-33
• 2.2.3 纺丝电压对有序纤维的影响33-34
• 2.2.4 纺丝流速对有序纤维的影响34-35
• 2.3 本章小结35-37
• 3 SPPESK表面有序纤维复合膜制备及性能研究37-46
• 3.1 实验部分37-40
• 3.1.1 主要药品及试剂37
• 3.1.2 实验设备及仪器37-38
• 3.1.3 堵孔溶剂选定及优化38
• 3.1.4 SPPESK有序纤维复合膜制备38-39
• 3.1.5 SPPESK无序纤维复合膜及浇铸膜制备39
• 3.1.6 SPPESK有序纤维复合膜性能测试39-40
• 3.2 结果与讨论40-45
• 3.2.1 SPPESK有序纤维复合膜形貌40-41
• 3.2.2 SPPESK有序纤维复合膜堵孔前后离子簇比较41
• 3.2.3 SPPESK有序纤维复合膜吸水率和溶胀度41-43
• 3.2.4 SPPESK有序纤维复合膜机械性能43-44
• 3.2.5 SPPESK有序纤维复合膜表面方向质子传导率44-45
• 3.3 本章小结45-46
• 4 SPPESK厚度有序纤维复合膜的制备及性能46-58
• 4.1 实验部分46-49
• 4.1.1 主要药品及试剂46
• 4.1.2 实验设备及仪器46-47
• 4.1.3 SPPESK厚度有序纤维复合膜制备47-48
• 4.1.4 SPPESK厚度有序纤维复合膜的性能测试48-49
• 4.2 结果与讨论49-56
• 4.2.1 厚度有序纤维复合膜纤维制备过程及形态49-50
• 4.2.2 膜的吸水溶胀性能50-51
• 4.2.3 表面方向的质子传导率51-52
• 4.2.4 厚度有序膜的质子传导率52-53
• 4.2.5 膜的机械性能53-54
• 4.2.6 质子交换膜的氢气渗透54-55
• 4.2.7 厚度有序纤维复合膜电池性能55-56
• 4.3 本章小结56-58
• 结论58-60
• 论文创新点与展望60-61
• 参考文献61-68
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况68-69
• 致谢69-70

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