燃料电池阴离子交换膜高效离子通道设计
发布时间：2021-06-28 11:19
碱性阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）具有阴极反应动力学快、可以使用非贵金属催化剂、耐腐蚀性以及制造成本低等优点,近年来受到广泛的关注。阴离子交换膜（AEM）作为碱性燃料电池的关键组件之一,起着隔绝氧气和传导离子的重要作用。但其目前仍然存在着离子传导率低、碱性稳定性差和机械性能差等亟需解决的问题。本论文跳出传统的膜结构设计思路（即通过高离子交换容量（IEC）提高离子电导率）,转而通过构建高效亲水离子通道,在低IEC条件下,获得高离子传导率的复合膜。本论文的主要工作有:（1）季铵化纤维素（QCNC）/季铵化聚苯醚（QPPO）共混复合阴离子交换膜。采用氨基硅烷偶联剂制备季铵化纤维素纳米晶体（QCNC）,并将其均匀分散至QPPO基体。TEM观察表明,QCNC在QPPO基质中均匀分布,并形成了清晰的QCNC网络,从而构建有效离子通道,显著增强了复合膜的离子电导率。研究表明,2 wt%QCNC/QPPO复合膜电导率(60 mS cm-1,80℃)是纯QPPO膜的160%。此外,基于2 wt%QCNC/QPPO复合膜组装的膜电极,用于H2/O2...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
H2/O2质子交换膜燃料电池示意图
重庆大学硕士学位论文1绪言6图1.2碱性阴离子交换膜结构示意图Figure.1.2Schematicdiagramofthebasicanionexchangemembrane阴离子交换膜燃料电池与质子交换膜燃料电池一样，其中电池的功率密度是判定电池的性能、寿命的重要参数。目前，碱性阴离子交换膜燃料电池测试即便以贵金属为催化剂，同等条件下，其电池的功率密度也要比质子交换膜燃料电池测试性能低很多。碱性阴离子交换膜燃料电池性能低的主要原因是阴离子交换膜的电导率低，而膜电极制备上，AEMs与催化层上不合适离聚物之间的相互作用也会导致影响电池性能降低。碱性阴离子交换膜燃料电池，在高温、强碱性、强氧化性（温度>60℃，PH>14），其AEMFCs的使用寿命主要取决于阴离子交换膜的碱性稳定性、耐氧化性、机械稳定性等[19]。另外，阴离子交换膜的原料成本、原料清洁性、加工成本以及加工的安全性都是决定AEMFCs是否可以实现应用的影响因素。1.2.3阴离子交换膜燃料电池的优点阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）是在质子交换膜燃料电池之后，科学研究者们发现其优点可以弥补质子交换膜燃料电池的不足。其具有以下几个值得关注的优点[19]，其对于未来的AEMFC发展具有极大的推动。①碱性条件下，反应动力学更快在碱性环境下，氧气具有较高的反应动力学，有利于加快阴极氧气的还原反应速度，提高电池效率。这些快速的反应动力，可以减少或者消除对于贵金属（例如Pt催化剂）的需求。例如可以使用非贵金属催化剂，在电化学这块领域中，科学研究者在开发除了贵金属以外的催化剂，使得质子交换膜燃料电池依然有很高的电池性能。而碱性燃料电池在碱性条件下有更快的反应动力学，即便是运用催
重庆大学硕士学位论文1绪言9图1.3常见的阳离子基团化学结构式[19]Figure.1.3Chemicalstructuresofcommomcationgroups[19]目前大多数阴离子交换膜常采用季铵盐作为离子基团，然而在强碱和高温条件下，季铵基团容易受OH-的进攻而发生降解，降解机理主要有两种途径[38,39]（图1.4）：一类是SN2亲核取代，其中氢氧根离子可强烈攻击铵基上的α-H形个醇基和胺,如反应（3）、（4）；一类是E2Hofmann消除，导致季铵基团裂解，如反应（2）。因此，由于阳离子基团发生降解，导致阳离子基团减少，从而离子传导率降低。图1.4阴离子交换膜常见降解机理[19]Figure.1.4Commondegradationmechanismofanionexchangemembrane[19]
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池技术发展及应用现状综述(下)[J]. 王吉华,居钰生,易正根,王凯. 现代车用动力. 2018(03)
[2]燃料电池技术发展现状与展望[J]. 侯明,衣宝廉. 电化学. 2012(01)
[3]燃料电池的研究进展[J]. 叶晓冬,朱景,杭迺富. 中小企业科技. 2007(05)
[4]燃料电池概述[J]. 刘建国,孙公权. 物理. 2004(02)
[5]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
本文编号：3254222
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
H2/O2质子交换膜燃料电池示意图
重庆大学硕士学位论文1绪言6图1.2碱性阴离子交换膜结构示意图Figure.1.2Schematicdiagramofthebasicanionexchangemembrane阴离子交换膜燃料电池与质子交换膜燃料电池一样，其中电池的功率密度是判定电池的性能、寿命的重要参数。目前，碱性阴离子交换膜燃料电池测试即便以贵金属为催化剂，同等条件下，其电池的功率密度也要比质子交换膜燃料电池测试性能低很多。碱性阴离子交换膜燃料电池性能低的主要原因是阴离子交换膜的电导率低，而膜电极制备上，AEMs与催化层上不合适离聚物之间的相互作用也会导致影响电池性能降低。碱性阴离子交换膜燃料电池，在高温、强碱性、强氧化性（温度>60℃，PH>14），其AEMFCs的使用寿命主要取决于阴离子交换膜的碱性稳定性、耐氧化性、机械稳定性等[19]。另外，阴离子交换膜的原料成本、原料清洁性、加工成本以及加工的安全性都是决定AEMFCs是否可以实现应用的影响因素。1.2.3阴离子交换膜燃料电池的优点阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）是在质子交换膜燃料电池之后，科学研究者们发现其优点可以弥补质子交换膜燃料电池的不足。其具有以下几个值得关注的优点[19]，其对于未来的AEMFC发展具有极大的推动。①碱性条件下，反应动力学更快在碱性环境下，氧气具有较高的反应动力学，有利于加快阴极氧气的还原反应速度，提高电池效率。这些快速的反应动力，可以减少或者消除对于贵金属（例如Pt催化剂）的需求。例如可以使用非贵金属催化剂，在电化学这块领域中，科学研究者在开发除了贵金属以外的催化剂，使得质子交换膜燃料电池依然有很高的电池性能。而碱性燃料电池在碱性条件下有更快的反应动力学，即便是运用催
重庆大学硕士学位论文1绪言9图1.3常见的阳离子基团化学结构式[19]Figure.1.3Chemicalstructuresofcommomcationgroups[19]目前大多数阴离子交换膜常采用季铵盐作为离子基团，然而在强碱和高温条件下，季铵基团容易受OH-的进攻而发生降解，降解机理主要有两种途径[38,39]（图1.4）：一类是SN2亲核取代，其中氢氧根离子可强烈攻击铵基上的α-H形个醇基和胺,如反应（3）、（4）；一类是E2Hofmann消除，导致季铵基团裂解，如反应（2）。因此，由于阳离子基团发生降解，导致阳离子基团减少，从而离子传导率降低。图1.4阴离子交换膜常见降解机理[19]Figure.1.4Commondegradationmechanismofanionexchangemembrane[19]
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃料电池技术发展及应用现状综述(下)[J]. 王吉华,居钰生,易正根,王凯. 现代车用动力. 2018(03)
[2]燃料电池技术发展现状与展望[J]. 侯明,衣宝廉. 电化学. 2012(01)
[3]燃料电池的研究进展[J]. 叶晓冬,朱景,杭迺富. 中小企业科技. 2007(05)
[4]燃料电池概述[J]. 刘建国,孙公权. 物理. 2004(02)
[5]燃料电池的原理、技术状态与展望[J]. 衣宝廉. 电池工业. 2003(01)
本文编号：3254222
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