DMFC用亚微米H-X沸石掺杂Nafion的选择性机理研究

发布时间：2017-07-15 14:04

  本文关键词：DMFC用亚微米H-X沸石掺杂Nafion的选择性机理研究

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【摘要】：直接甲醇燃料电池是燃料电池的一种,由于其具有能量密度高,成本低,组装简单,燃料可再生,电源移动方便等优点,因此可广泛应用于日常生活中。例如它可作为便携式电源,新能源汽车/船只,供电站等,因此对它的研究也正日渐加深。直接甲醇燃料电池的核心部件为电池内部的质子交换膜。目前主要材料为美国杜邦公司生产的Nafion质子交换膜,但是这种质子交换膜因存在甲醇渗透率过高以及在高温/含水量低的情况下质子交换膜质子导电率低的问题,所以对其进行改性便显得很有必要。本文中我们以先前对Na-X型沸石和NH_4-X型沸石研究为基础,深入研究亚微米尺寸H-X型沸石对复合质子交换膜的各项性能影响。用来作为掺杂材料以提高复合质子交换膜的选择性。我们用水热法合成制备出尺寸为30-50 nm,500-700 nm,1-1.5μm的Na-X型沸石,先将其转化为NH_4-X型沸石,然后再转化为H-X型沸石。掺杂不同种类的沸石,通过溶液重铸法制备出相应的Nafion复合质子交换膜。对制备出的沸石材料以及复合质子交换膜进行XRD,SEM/EDS,FT-IR,TGA/DSC等分析方法对其表征和分析。同时对复合质子交换膜的吸水性,离子交换量进行测试,我们也要完成对质子交换膜的甲醇渗透性以及质子导电性的测试,最后对质子交换膜组装成单电池用2mol/L的甲醇进行测试。测试结果表明掺杂沸石后的质子交换膜的吸水能力、离子交换容量、甲醇渗透率、质子导电率在与纯Nafion质子交换膜的这些性能相比都有了不同程度的提升。NH_4-X/Nafion复合质子交换膜的吸水能力、甲醇渗透率整体上要比H-X/Nafion的复合质子交换膜要好,但是离子交换容量和质子导电率方面较弱。当沸石的加入量为2.5wt%时其复合质子交换膜的选择性整体上比含量为5wt%的要高,相比于未经改性的质子交换膜,复合质子交换膜的甲醇渗透率下降了一半以上,而且复合质子交换膜的选择性也提高到了8倍左右。在沸石含量为2.5wt%的NH_4-X/Nafion复合质子交换膜和H-X/Nafion的复合质子交换膜组成的单电池的性能在80℃时是纯Nafion质子交换膜的两倍以上,表明了沸石的加入确实提高了DMFC的性能表现。对整体的实验进行总结我们得知,选择性方面在含量为2.5wt%的亚微米尺寸的NH_4-X和H-X两种沸石要优于其他几种沸石,通过测试发现所获得的单电池性能是最好的,其能量密度分别达到了127 mW/cm2和114 mW/cm2。这些结果表明在单电池测试中复合质子交换膜的性能和纯Nafion质子交换膜相比得到了提升。
【关键词】：DMFC Nafion NH_4-X沸石 H-X沸石
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4;TB383.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-23
• 1.1 课题研究的背景和意义8-10
• 1.2 直接甲醇燃料电池的介绍10-11
• 1.3 质子交换膜的重要性及研究进展11-18
• 1.3.1 Nafion质子交换膜的介绍11-12
• 1.3.2 Nafion质子交换膜的分子结构12-15
• 1.3.3 质子传输原理15-16
• 1.3.4 甲醇传输机理16
• 1.3.5 沸石简介16-18
• 1.4 国内外对Nafion质子交换膜的改性研究进展18-22
• 1.4.1 国外研究现状18-21
• 1.4.2 国内研究现状21-22
• 1.5 课题的研究内容22-23
• 第2章 沸石以及复合质子交换膜的制备23-32
• 2.1 引言23
• 2.2 实验仪器设备及材料23
• 2.3 实验所用原料23-24
• 2.4 Na-X型沸石的制备24-26
• 2.4.1 微米级尺寸Na-X沸石的制备24-25
• 2.4.2 亚微米尺寸Na-X沸石的制备25
• 2.4.3 纳米尺寸Na-X沸石的制备25
• 2.4.4 Na-X型沸石转化为NH_4-X型沸石25-26
• 2.4.5 NH_4-X型沸石转化为H-X型沸石26
• 2.5 纯Nafion质子交换膜和复合膜的制备及处理方法26-27
• 2.5.1 纯的Nafion质子交换膜的制备26
• 2.5.2 复合膜制备26-27
• 2.5.3 对质子交换膜的活化处理27
• 2.6 沸石与Nafion质子交换膜的性能测试27-32
• 2.6.1 对沸石的测试与表征27-28
• 2.6.2 对纯Nafion膜和复合Nafion质子交换膜的各项性能测试及分析28-32
• 第3章 沸石的表征结果及讨论32-48
• 3.1 引言32
• 3.2 Na-X型和NH_4-X型沸石的结果与讨论32-34
• 3.3 H-X型沸石的结果与讨论34-37
• 3.4 沸石的FTIR分析图谱37-39
• 3.5 SEM结果与讨论39-42
• 3.6 EDS结果与讨论42-43
• 3.7 TGA/DSC结果与讨论43-46
• 3.8 本章小结46-48
• 第4章 质子交换膜的结果与分析48-65
• 4.1 引言48
• 4.2 纯Nafion膜与复合质子交换膜的断面SEM结果与分析48-50
• 4.3 复合质子交换膜的断面元素分布50-53
• 4.4 复合质子交换膜的TGA结果与分析53-54
• 4.5 质子交换膜的吸水率和离子交换量测试结果与分析54-56
• 4.6 甲醇渗透率和质子导电率的测试结果与分析56-59
• 4.7 直接甲醇燃料电池性能测试59-63
• 4.8 本章小结63-65
• 结论65-66
• 参考文献66-72
• 致谢72

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本文编号：544198