燃料电池用碱性阴离子交换膜的制备及性能研究

发布时间：2017-07-20 09:26

  本文关键词：燃料电池用碱性阴离子交换膜的制备及性能研究

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【摘要】：碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)具有比功率高、发电效率高、环境友好性的优点,同时避免了质子交换膜燃料电池成本较高,甲醇透过率高的劣势,而成为备受关注的新能源技术。碱性阴离子交换膜(AAEM)是碱性阴离子交换膜燃料电池(AAEMFC)的核心部件,在电池运行过程中起着隔离阴阳两极及传递氢氧根离子的作用。在AAEMFC中,要求AAEM具备良好的化学稳定性、热稳定性和较高的机械性能,并具有较高的离子传导性能,以及较低的制作成本。但AAEM的研究还不成熟,目前研究较广的是季铵盐型阴离子交换膜,该膜还存在以下方面的问题：(1)离子传导率较低；(2)化学稳定性差尤其是在较高温度下；(3)机械强度差。这些不足严重影响了.AAEMFC的广泛商业化。因此,制备高性能的AAEM成为AAEMFC研究的重点之一。基于以上问题,本论文旨在制备高电导率、高稳定性、优良力学性能,经济环保的碱性阴离子交换膜。主要内容如下：(1)采用高机械强度、高保湿性能、优良的热稳定性能,且分子中含有大量羟基的细菌纤维素膜为原材料,利用静电纺丝技术制备了纳米TiO_2/BC复合纤维膜,采用XRD、 SEM、XPS等对复合膜进行结构和形貌表征,并测试了复合纤维膜的含水率、孔隙率、机械强度和热稳定性等膜性能。结果显示出：室温下细菌纤维素溶液的质量浓度为1.3 wt%-1.35 wt%,纺丝电压为16-17 kV,纺丝距离为10-20 cm,纺丝速率为0.02-0.04 ml/min,这种条件下制备的静电纺丝膜纳米纤维分布均匀,且热稳定性较好。该膜的孔隙率随Ti02添加量的增加先增大后减小,TiO_2质量增加到0.03g／20m1纺丝溶液时,孔隙率最大为95.5%,膜的含水率随Ti02含量的增加而降低。当Ti02添加量为0.05 g／20 ml纺丝溶液时,制备的复合膜的拉伸强度为13.88 MPa,断裂伸长率为25.47%,表明膜的拉伸强度和断裂伸长率足以满足离子交换膜对应力的要求,并可作为阴离子交换膜基体材料。(2)以3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)为季胺化试剂,经过季胺化、碱化等反应,将季胺基团引入BC/TiO_2复合膜中,成功制备出BC/TiO_2/CHPTAC-OH碱性阴离子交换复合膜。同时为了防止电池运行过程中燃料的渗漏问题,采用PVA浇注复合膜,成功制备出TiO_2/BC/CHPTAC-OH/PVA碱性阴离子交换复合膜。最后考察了接枝膜的取代度、吸水率、离子交换容量、溶胀率、膜的机械强度等膜性能。结果表明当碱与醚化剂的摩尔比为1.2：1,反应时间为16h时,制备的碱性膜取代度最高为1.16,含水率达到140%,离子交换容量最高接近于1 mmol/g,与其他碱性膜相比,取代度和离子交换容量都有明显的提高,同时TiO_2/BC/CHPTAC碱性复合膜具有优异的尺寸稳定性。PVA的加入增加了复合膜的机械性能,当取代度达到最大时膜的拉伸强度最大为25.18MPa,断裂伸长率最大为38.05%。同时复合膜离子电导率在80℃时最大为O.0093s／cm,初步表明TiO_2/BC/CHPTAC-OH/PVA复合膜材料有望作为一种新型的碱性燃料电池阴离子交换膜。
【关键词】：细菌纤维素 静电纺丝 TiO_2/BC/CHPTAC-OH/PVA 碱性阴离子交换复合膜
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-27
• 1.1 燃料电池概述12-13
• 1.1.1 燃料电池的分类及特点12-13
• 1.2 聚合物膜燃料电池概述13-16
• 1.2.1 质子交换膜燃料电池(PEMFC)概述13-14
• 1.2.2 阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)概述14-16
• 1.3 阴离子交换膜(AEM)概述16-18
• 1.3.1 燃料电池对碱性阴离子交换膜(AEM)要求16
• 1.3.2 碱性阴离子交换膜的分类16-18
• 1.3.3 碱性阴离子交换膜面临的问题及对策18
• 1.4 细菌纤维素概述18-21
• 1.4.1 细菌纤维素的合成18-19
• 1.4.2 细菌纤维素的结构与性质19-20
• 1.4.3 细菌纤维素在质子交换膜中的应用20-21
• 1.4.4 细菌纤维素膜及其纤维素再生膜的制备21
• 1.5 静电纺丝概述21-25
• 1.5.1 静电纺丝原理22
• 1.5.2 静电纺丝的影响因素22-23
• 1.5.3 细菌纤维素静电纺丝研究现状23-25
• 1.6 本论文的主要研究内容25-27
• 2 膜性能测试与表征27-31
• 2.1 膜结构及形态测试27-28
• 2.1.1 溶液粘度测试27
• 2.1.2 X射线粉末衍射(XRD)27
• 2.1.3 扫描电子显微镜(SEM)27
• 2.1.4 原子力显微镜(AFM)27
• 2.1.5 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)27-28
• 2.1.6 热重分析(TGA)28
• 2.1.7 X射线光电子能谱(XPS)28
• 2.2 膜性能测试28-31
• 2.2.1 取代度测试28
• 2.2.2 吸水率测试28-29
• 2.2.3 膜的孔隙率测试29
• 2.2.4 离子交换容量测试29
• 2.2.5 溶胀性能测试29
• 2.2.6 膜的机械性能测试29-30
• 2.2.7 膜的离子电导率测试30-31
• 3 TiO_2/BC纺丝纤维膜的制备与表征31-50
• 3.1 引言31-32
• 3.2 实验试剂与仪器32-33
• 3.2.1 实验试剂32
• 3.2.2 实验仪器设备32-33
• 3.3 TiO_2/BC复合膜的制备33-34
• 3.3.1 纳米TiO_2的制备33
• 3.3.2 静电纺丝液的制备33-34
• 3.3.3 TiO_2/BC复合膜的制备34
• 3.4 结果与讨论34-48
• 3.4.1 细菌纤维素的粘度性质对静电纺丝的影响34-35
• 3.4.2 收集方式对静电纺丝膜的影响35-36
• 3.4.3 TiO_2/BC复合膜的X射线粉末衍射(XRD)分析36-37
• 3.4.4 TiO_2/BCM的形貌分析37-41
• 3.4.5 TiO_2/BCM红外图谱(IR)分析41-42
• 3.4.6 TiO_2/BC热重分析42-43
• 3.4.7 吸水率测试43-44
• 3.4.8 孔隙率测试44
• 3.4.9 TiO_2/BCM的X射线光电子能谱(XPS)分析44-47
• 3.4.10 TiO_2/BC静电纺丝膜的机械性能47-48
• 3.5 本章小结48-50
• 4 碱性阴离子交换复合膜的制备及其性能研究50-61
• 4.1 引言50
• 4.2 实验试剂与仪器50-51
• 4.2.1 实验试剂50-51
• 4.2.2 实验仪器设备51
• 4.3 反应原理51-52
• 4.4 复合膜的制备52-53
• 4.4.1 TiO_2/BC/CHPTAC-OH碱性阴离子交换复合膜的制备53
• 4.4.2 TiO_2/BC/CHPTAC-OH/PVA碱性阴离子交换浇注膜的制备53
• 4.5 结果与讨论53-59
• 4.5.1 复合膜的形貌分析53-54
• 4.5.2 取代度测试54-55
• 4.5.3 红外图谱(IR)分析55-56
• 4.5.4 吸水率测试56
• 4.5.5 离子交换容量(IEC)测试56-57
• 4.5.6 碱性阴离子交换复合膜的溶胀性能表征57-58
• 4.5.7 机械性能表征58-59
• 4.5.8 电导率测试59
• 4.6 本章小结59-61
• 5 结论与展望61-63
• 5.1 结论61-62
• 5.2 本文创新点62
• 5.3 本课题发展趋势62-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-72
• 附录72

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本文编号：567377