燃料电池用N杂环碱性阴离子交换膜的制备及性能研究
发布时间：2022-01-08 05:01
燃料电池因其具有运行温度低,低温快速启动,便于操作和维护等优点,因此成为了近年来国内外的研究热点。按照工作原理的不同可将燃料电池分为两大类:质子交换膜燃料电池（PEMFCs）和阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）。离子交换膜在燃料电池中起到分隔阴阳极室,辅助离子传导,阻隔燃料渗透等作用,是燃料电池中不可或缺的一部分。质子交换膜（PEM）由于发展的较早,因此其技术相对比较成熟,具有优异的电化学性能、较强的耐碱稳定性等优势,但由于其膜基质中通常含有氟等有毒物质和使用价格昂贵的铂金属作为催化剂等缺点,因此限制了PEMFCs的进一步发展。而阴离子交换膜（AEM）则因为工作环境为碱性,由此克服了诸多PEM存在的缺点,大大降低AEMFCs的制造成本,为燃料电池在世界范围内普及创造了更多的机会。然而,目前对AEM的研究仍处于发展阶段,电导率较低、化学稳定性较差等问题仍困扰着众多学者,因此如何改善这些问题成为了提高AEM性能的关键。本文选用化学稳定性较好的N杂环类物质作为导电基团,通过共聚,掺杂,交联等方法制备多种AEM,并测定其各项性能,然后对其实用性进行评估。（1）针对AEM存在的电导率较低,化学...
【文章来源】：辽宁石油化工大学辽宁省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池示意图
2池系统由多孔阳极电极、多孔阴极电极和电解质三个关键部件构成。燃料电池中的电解质是燃料进行氧化还原反应场所；阴、阳极电极则是供产生的电子转移的场所，反应产生的电子通过外电路定向移动产生电流。阴阳极上氧化还原产生的离子将通过离子交换膜进行传输，因此在整个燃料电池的工作系统中，离子交换膜是至关重要的。在通常情况下，离子交换膜是由带电官能团和固体聚合物电解质构成。1.2燃料电池的种类如图1.2所示，燃料电池可以按其内部包含的电解质种类不同分为五大类。分别为SOFC、MCFC、PAFC、PEMFC和AEMFC等[9]。图1.2不同燃料电池的工作原理Fig1.2Workingprincipleofdifferentfuelcell1.2.1固体氧化物燃料电池使用固体氧化物为电解质的燃料电池称为固体氧化物燃料电池（SOFC），其具有如下优点：（1）相比于火力发电，水力发电等传统的发电方式，其能量利用率较高，可高达80%以上；（2）拥有较小的电极极化作用；（3）不依赖Pt等贵金属作为电极催化材料，制造成本相对较低；（4）电池整体的耐腐蚀性较
91.6AEM存在的问题到目前为止仍未发现一种集较好的化学稳定性、较低的醇透过性、优异的导电性、良好的机械性能于一身的阴离子交换膜，这是由于AEM的各项性能之间是相互制约的[60-61]。例如，如果在聚合物主链上过高的接枝导电基团，虽然会提高复合膜的离子交换量，从而增强AEM的电导率，但其尺寸稳定性和机械性能会有所下降，过高的接枝率甚至可以直接使复合膜溶解在水中；如果接枝率过低，尽管可以使复合膜维持一定的机械性能和尺寸稳定性，但又会使其电化学性能下降。综上所述，如何平衡和改善AEM中各性能之间的关系，是近年来研究的热点。虽然AEM在过去几十年取得了一些进展，但仍然存在着如下问题：（1）离子电导率低：由于溶液中OH-迁移速率约为H+的1/4，因此AEM中的OH-电导率普遍较PEM低很多，大都维持在10-2和10-3数量级之间。（2）耐碱性差：在高温强碱环境下，AEM上接枝的正电基团极易被降解[62]，这会使复合膜中辅助传导OH-的功能基团含量下降，严重影响其电化学性能，其具体的降解机理如图1.3所示。图1.3季铵基团在碱性条件下两种降解机理示意图Fig1.3Degradationmechanismsofquaternaryammoniumgroupsunderalkalineconditions
【参考文献】：
期刊论文
[1]吡咯类碱性离子液体的制备及其在阴离子导电膜中的应用[J]. 韩旭,王吉林,王璐璐,吕振波. 现代化工. 2018(06)
[2]用于燃料电池的碱性阴离子交换膜研究进展[J]. 袁园,沈春晖,陈继钦,任学超. 化工进展. 2017(09)
[3]交联型季铵聚芳醚砜阴离子交换膜的制备[J]. 汪丽梅,窦立岩,辛鹏. 高等学校化学学报. 2016(07)
[4]燃料电池用阴离子交换膜的研究进展[J]. 赵卓,吴爱华,栾胜基,于广河,张春裕. 高分子通报. 2015(08)
[5]季铵化聚砜和季膦化聚砜共混阴离子交换膜的制备与表征[J]. 李旭,吕喜风,王芳,梁鹏举. 精细化工. 2014(07)
[6]季铵化聚乙烯醇/聚二甲基二烯丙基氯化铵/正硅酸乙酯杂化阴离子交换膜的制备与性能表征[J]. 张建勋,董锐,孙晓斌,周健. 精细化工. 2013(06)
[7]碱性燃料电池用PFA基季铵盐类阴离子交换膜的稳定性[J]. 柳鹤,王素力,姜鲁华,孙公权. 中国科学:化学. 2011(12)
[8]化学交联聚乙烯醇改性纤维素碱性阴离子交换复合膜的制备与性能[J]. 刘玲玲,丁蕾,徐莉,乔锦丽,盛嘉伟. 物理化学学报. 2011(11)
[9]PPO/SiO2碱性阴离子交换膜的制备与表征[J]. 徐铜文,吴永会,罗婧艺. 膜科学与技术. 2011(03)
[10]季铵化壳聚糖-聚乙烯醇阴离子交换膜的性能[J]. 伍艳辉,张海峰,谭惠芬,李佟茗. 膜科学与技术. 2011(01)
博士论文
[1]燃料电池用阴离子交换膜的制备与性能研究[D]. 熊鹰.厦门大学 2009
[2]有机—无机杂化阴离子交换膜的制备、表征和应用[D]. 吴永会.中国科学技术大学 2009
本文编号：3575935
【文章来源】：辽宁石油化工大学辽宁省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
燃料电池示意图
2池系统由多孔阳极电极、多孔阴极电极和电解质三个关键部件构成。燃料电池中的电解质是燃料进行氧化还原反应场所；阴、阳极电极则是供产生的电子转移的场所，反应产生的电子通过外电路定向移动产生电流。阴阳极上氧化还原产生的离子将通过离子交换膜进行传输，因此在整个燃料电池的工作系统中，离子交换膜是至关重要的。在通常情况下，离子交换膜是由带电官能团和固体聚合物电解质构成。1.2燃料电池的种类如图1.2所示，燃料电池可以按其内部包含的电解质种类不同分为五大类。分别为SOFC、MCFC、PAFC、PEMFC和AEMFC等[9]。图1.2不同燃料电池的工作原理Fig1.2Workingprincipleofdifferentfuelcell1.2.1固体氧化物燃料电池使用固体氧化物为电解质的燃料电池称为固体氧化物燃料电池（SOFC），其具有如下优点：（1）相比于火力发电，水力发电等传统的发电方式，其能量利用率较高，可高达80%以上；（2）拥有较小的电极极化作用；（3）不依赖Pt等贵金属作为电极催化材料，制造成本相对较低；（4）电池整体的耐腐蚀性较
91.6AEM存在的问题到目前为止仍未发现一种集较好的化学稳定性、较低的醇透过性、优异的导电性、良好的机械性能于一身的阴离子交换膜，这是由于AEM的各项性能之间是相互制约的[60-61]。例如，如果在聚合物主链上过高的接枝导电基团，虽然会提高复合膜的离子交换量，从而增强AEM的电导率，但其尺寸稳定性和机械性能会有所下降，过高的接枝率甚至可以直接使复合膜溶解在水中；如果接枝率过低，尽管可以使复合膜维持一定的机械性能和尺寸稳定性，但又会使其电化学性能下降。综上所述，如何平衡和改善AEM中各性能之间的关系，是近年来研究的热点。虽然AEM在过去几十年取得了一些进展，但仍然存在着如下问题：（1）离子电导率低：由于溶液中OH-迁移速率约为H+的1/4，因此AEM中的OH-电导率普遍较PEM低很多，大都维持在10-2和10-3数量级之间。（2）耐碱性差：在高温强碱环境下，AEM上接枝的正电基团极易被降解[62]，这会使复合膜中辅助传导OH-的功能基团含量下降，严重影响其电化学性能，其具体的降解机理如图1.3所示。图1.3季铵基团在碱性条件下两种降解机理示意图Fig1.3Degradationmechanismsofquaternaryammoniumgroupsunderalkalineconditions
【参考文献】：
期刊论文
[1]吡咯类碱性离子液体的制备及其在阴离子导电膜中的应用[J]. 韩旭,王吉林,王璐璐,吕振波. 现代化工. 2018(06)
[2]用于燃料电池的碱性阴离子交换膜研究进展[J]. 袁园,沈春晖,陈继钦,任学超. 化工进展. 2017(09)
[3]交联型季铵聚芳醚砜阴离子交换膜的制备[J]. 汪丽梅,窦立岩,辛鹏. 高等学校化学学报. 2016(07)
[4]燃料电池用阴离子交换膜的研究进展[J]. 赵卓,吴爱华,栾胜基,于广河,张春裕. 高分子通报. 2015(08)
[5]季铵化聚砜和季膦化聚砜共混阴离子交换膜的制备与表征[J]. 李旭,吕喜风,王芳,梁鹏举. 精细化工. 2014(07)
[6]季铵化聚乙烯醇/聚二甲基二烯丙基氯化铵/正硅酸乙酯杂化阴离子交换膜的制备与性能表征[J]. 张建勋,董锐,孙晓斌,周健. 精细化工. 2013(06)
[7]碱性燃料电池用PFA基季铵盐类阴离子交换膜的稳定性[J]. 柳鹤,王素力,姜鲁华,孙公权. 中国科学:化学. 2011(12)
[8]化学交联聚乙烯醇改性纤维素碱性阴离子交换复合膜的制备与性能[J]. 刘玲玲,丁蕾,徐莉,乔锦丽,盛嘉伟. 物理化学学报. 2011(11)
[9]PPO/SiO2碱性阴离子交换膜的制备与表征[J]. 徐铜文,吴永会,罗婧艺. 膜科学与技术. 2011(03)
[10]季铵化壳聚糖-聚乙烯醇阴离子交换膜的性能[J]. 伍艳辉,张海峰,谭惠芬,李佟茗. 膜科学与技术. 2011(01)
博士论文
[1]燃料电池用阴离子交换膜的制备与性能研究[D]. 熊鹰.厦门大学 2009
[2]有机—无机杂化阴离子交换膜的制备、表征和应用[D]. 吴永会.中国科学技术大学 2009
本文编号：3575935
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3575935.html
