磺化聚醚醚酮基質(zhì)子交換膜的雜化及性能研究
發(fā)布時(shí)間：2021-01-05 04:03
磺化聚醚醚酮（SPEEK）是商業(yè)化質(zhì)子交換膜Nafion最理想的替代品之一。與Nafion相比,SPEEK主鏈及側(cè)基的親-疏水性差異較弱,微觀結(jié)構(gòu)中較多孤立的質(zhì)子通道導(dǎo)致SPEEK的質(zhì)子電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于Nafion。本文從質(zhì)子交換膜微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)角度出發(fā),利用片層無機(jī)納米填料將連續(xù)的質(zhì)子通道引入基體、利用無機(jī)納米纖維將基體中不連續(xù)的質(zhì)子通道連通起來,高復(fù)合膜質(zhì)子電導(dǎo)率的同時(shí)降低其甲醇滲透率;在片層無機(jī)納米填料上引入堿性官能團(tuán),使填料與SPEEK基體間建立路易斯酸-堿對作用以進(jìn)一步高復(fù)合膜的質(zhì)子電導(dǎo)率;在此基礎(chǔ)上,摻雜高質(zhì)子導(dǎo)體磷鎢酸（HPW）,利用堿性片層填料錨定HPW并與其協(xié)同高復(fù)合膜的質(zhì)子電導(dǎo)率、穩(wěn)定性和電池性能等。首先,研究不同磺化度SPEEK的微觀結(jié)構(gòu)與吸水率、溶脹率和質(zhì)子電導(dǎo)率之間的關(guān)系,并與商業(yè)Nafion進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)SPEEK存在較多孤立的質(zhì)子通道,采用氧化石墨烯（GO）及乙二胺改性氧化石墨烯（EGO）與SPEEK基體復(fù)合,構(gòu)筑具有層狀微觀結(jié)構(gòu)的SPEEK/GO和SPEEK/EGO復(fù)合質(zhì)子交換膜。層狀微觀結(jié)構(gòu)和路易斯酸-堿對作用對復(fù)合膜的質(zhì)子電導(dǎo)率、甲醇滲透率及電池性能均產(chǎn)...
【文章來源】：中國石油大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：127 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
（a）單電池的組成示意圖，（b）MEA的組成示意圖，（c）雙層GDL示意圖
2（1.6）圖1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理[8]Fig. 1.2 Principle of polymer electrolyte membrane fuel cell接有負(fù)載時(shí)，單電池的輸出電壓通常在 0.6～0.8V[4]。赫特福德大學(xué)能源中心開發(fā)的燃料電池的輸出電壓和電流分別是 0.7 V 和 0.6 A/cm2。為 高電池的輸出功率，需要將多個(gè)單電池以串聯(lián)的方式堆疊在一起制備燃料電池堆（圖 1.3）[8]。
PEMFC 已經(jīng)被證明是最具有吸引力的能源技術(shù)之一。它正逐漸取代內(nèi)燃機(jī)，應(yīng)用于航空航天、交通工具、小型和大型發(fā)電廠等領(lǐng)域。圖1.3 燃料電池堆的組件示意圖Fig. 1.3 Schematics of a fuel cell stack operation and components1.3 質(zhì)子交換膜1.3.1 質(zhì)子交換膜的基本要求PEM 是一種帶陽離子交換基團(tuán)的聚合物電解質(zhì)薄層，它是 PEMFC 的核心部件，其作用是阻隔燃料從陽極流向陰極，并將陽極反應(yīng)生成的質(zhì)子傳遞到陰極[9, 10]。PEM 對燃料的阻隔能力和對質(zhì)子的傳輸能力影響 PEMFC 的輸出電壓及功率密度；膜材料的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性、熱力學(xué)性能決定了電池的工作穩(wěn)定性和使用壽命。為使 PEMFC 長期高效運(yùn)行，PEM 應(yīng)同時(shí)具有以下幾個(gè)基本要求[11-13]：（1）擁有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，并且是電子絕緣體。PEM 在室溫下的質(zhì)子傳導(dǎo)率應(yīng)至少達(dá)到10 mS cm-1才具有使用價(jià)值；（2）具有優(yōu)異的燃料阻隔性。防止燃料滲透進(jìn)入陰極后形成混合電位，造成電池短路；（3）良好的熱氧化穩(wěn)定性；（4）干濕條件下都具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性；（5）充足的吸水率和良好的保水能力；（6）膜材料化學(xué)性質(zhì)與電極材料相匹配；（7）成本低廉且使用壽命長。PEM 的制造成本須控制在$200/m2以下。用于汽車移動(dòng)電源時(shí)，使用壽命應(yīng)至少達(dá)到十年。1.3.2 質(zhì)子交換膜的分類根據(jù)材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)將 PEM 分為三類[14-16]：（1）全氟磺酸膜；（2）?
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]DMFC用PES/SPEEK共混阻醇質(zhì)子交換膜[J]. 黃綿延,陳華艷,郭劍釗,王志濤,許莉,王宇新. 物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2007(01)
[2]氧化鈦納米管的合成機(jī)理與表征[J]. 王芹,陶杰,翁履謙,宋申華,陶海軍. 材料開發(fā)與應(yīng)用. 2004(05)
[3]制備均一形貌的長二氧化鈦納米管[J]. 張青紅,高濂,鄭珊,孫靜. 化學(xué)學(xué)報(bào). 2002(08)
博士論文
[1]改性凹凸棒土固載磷鎢酸（鹽）及其催化酯化研究[D]. 張麗霞.江南大學(xué) 2010
本文編號：2957985
【文章來源】：中國石油大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：127 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
（a）單電池的組成示意圖，（b）MEA的組成示意圖，（c）雙層GDL示意圖
2（1.6）圖1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理[8]Fig. 1.2 Principle of polymer electrolyte membrane fuel cell接有負(fù)載時(shí)，單電池的輸出電壓通常在 0.6～0.8V[4]。赫特福德大學(xué)能源中心開發(fā)的燃料電池的輸出電壓和電流分別是 0.7 V 和 0.6 A/cm2。為 高電池的輸出功率，需要將多個(gè)單電池以串聯(lián)的方式堆疊在一起制備燃料電池堆（圖 1.3）[8]。
PEMFC 已經(jīng)被證明是最具有吸引力的能源技術(shù)之一。它正逐漸取代內(nèi)燃機(jī)，應(yīng)用于航空航天、交通工具、小型和大型發(fā)電廠等領(lǐng)域。圖1.3 燃料電池堆的組件示意圖Fig. 1.3 Schematics of a fuel cell stack operation and components1.3 質(zhì)子交換膜1.3.1 質(zhì)子交換膜的基本要求PEM 是一種帶陽離子交換基團(tuán)的聚合物電解質(zhì)薄層，它是 PEMFC 的核心部件，其作用是阻隔燃料從陽極流向陰極，并將陽極反應(yīng)生成的質(zhì)子傳遞到陰極[9, 10]。PEM 對燃料的阻隔能力和對質(zhì)子的傳輸能力影響 PEMFC 的輸出電壓及功率密度；膜材料的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性、熱力學(xué)性能決定了電池的工作穩(wěn)定性和使用壽命。為使 PEMFC 長期高效運(yùn)行，PEM 應(yīng)同時(shí)具有以下幾個(gè)基本要求[11-13]：（1）擁有較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率，并且是電子絕緣體。PEM 在室溫下的質(zhì)子傳導(dǎo)率應(yīng)至少達(dá)到10 mS cm-1才具有使用價(jià)值；（2）具有優(yōu)異的燃料阻隔性。防止燃料滲透進(jìn)入陰極后形成混合電位，造成電池短路；（3）良好的熱氧化穩(wěn)定性；（4）干濕條件下都具有優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性；（5）充足的吸水率和良好的保水能力；（6）膜材料化學(xué)性質(zhì)與電極材料相匹配；（7）成本低廉且使用壽命長。PEM 的制造成本須控制在$200/m2以下。用于汽車移動(dòng)電源時(shí)，使用壽命應(yīng)至少達(dá)到十年。1.3.2 質(zhì)子交換膜的分類根據(jù)材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)將 PEM 分為三類[14-16]：（1）全氟磺酸膜；（2）?
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]DMFC用PES/SPEEK共混阻醇質(zhì)子交換膜[J]. 黃綿延,陳華艷,郭劍釗,王志濤,許莉,王宇新. 物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2007(01)
[2]氧化鈦納米管的合成機(jī)理與表征[J]. 王芹,陶杰,翁履謙,宋申華,陶海軍. 材料開發(fā)與應(yīng)用. 2004(05)
[3]制備均一形貌的長二氧化鈦納米管[J]. 張青紅,高濂,鄭珊,孫靜. 化學(xué)學(xué)報(bào). 2002(08)
博士論文
[1]改性凹凸棒土固載磷鎢酸（鹽）及其催化酯化研究[D]. 張麗霞.江南大學(xué) 2010
本文編號：2957985
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